KR100813983B1 - 조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치 - Google Patents

조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치 Download PDF

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Abstract

조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치가 개시되어 있다. 개시된 조명 광학계는, 발산광을 방사하는 광원과, 이 광원으로부터의 발산광을 집광하는 반사 광학계와, 이 반사 광학계에서 집광된 광을 투사하는 렌즈 광학계를 가지는 조명 광학계로서, 반사 광학계는 비구면의 오목 거울로 이루어지고, 렌즈 광학계는, 중심부에서 양의 굴절력을 가지며 주변부로 갈수록 굴절력이 감소하는 비구면을 구비한다.
이러한 구성으로 광원의 발광면이 상대적으로 커서 점광원으로 볼 수 없는 경우에서도, 광이용 효율을 향상할 수 있다.

Description

조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치{Illumination system, illumination unit and image projection apparatus employing the same}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명 광학계를 사용한 화상 투영 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1의 조명 광학계의 개략적인 구성을 나타내는 광선도이다.
도 3은 도 1의 조명 광학계에 사용하는 광원의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 1의 조명 광학계에서의 축상광 및 축외광의 조명 광학계로부터의 광선 사출각도 분포의 일례에 대해서 설명하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 조명 광학계의 개략적인 구성을 나타내는 광선도이다.
도 6은 도 5의 조명 광학계에서의 축상광 및 축외광의 조명 광학계로부터의 광선 사출각도 분포의 일례에 대해서 설명하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 조명 광학계를 사용한 화상 투영 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 제3의 실시예에 따른 조명 광학계를 사용한 화상 투영 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1,40... 프로젝터(화상 투영 장치) 2,20,21...조명 유니트
3...제1 집광 렌즈 4...공간 변조 소자
5...투영 렌즈 6...반사형 스크린
10,13...LED 소자(광원) 11,14...오목 거울(반사 광학계)
11A,12A...중심부 11B,11B...주변부
12,15...비구면집광 렌즈(렌즈 광학계) 16...제2 집광 렌즈
18...투영 렌즈 19...투과형 스크린
21R,21G,21B...조명 광학계 22...광경로 합성 수단
30...리어 프로젝션 텔레비젼(화상 투영 장치)
R,G,B...LED 칩(발광 소자)
본 발명은 조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광원을 점광원으로 볼 수 없는 경우에도 광을 효율적으로 집광할 수 있도록 구조가 개선된 조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치에 관한 것이다.
종래, 광원으로부터의 발산광을 집광하여 적당한 영역을 원하는 배광분포로 조명하는 조명 광학계가 여러 가지 제안되어 있다. 광원의 종류로는 최근에, 예를 들어 LED 등의 고체 발광 소자가 채용되는 일이 많다. 또 이들 조명 광학계는 예를 들어 프로젝터, 리어 프로젝션 텔레비젼, 투광 장치 등의 화상 투영 장치의 일부로서 이용되고 있다.
예를 들어, 일본특허공개 평10-311944호 공보(이하, 특허문헌 1이라 한다)의 도 1, 도 5 또는 도 9에는 단면이 타원의 부분 원호상의 반사면을 가지는 반사경과, 그 반사면의 초점에 발광을 가지는 램프와, 반사경의 2개의 초점 사이에 배치된 오목렌즈로 이루어지는 투광 장치가 기재되어 있다.
또한, 일본특허공개 2003-35883호 공보(이하, 특허문헌 2라 한다)의 도 5와 도 7에는 점광원과, 그 후면에 뿔모양의 반사면을 형성하는 반사체와, 점광원과 반사체의 전방측에 배치된 양의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군과, 제1 렌즈군의 광축 근방에 배치된 제2 렌즈군을 가지고, 제2 렌즈군이 광축 근방에서 굴절력이 음 또는 0이고, 주변의 굴절력이 양인 광출력장치가 기재되어 있다.
또한 일본특허공개 2005-208571호 공보(이하, 특허문헌 3이라 한다)의 도 1, 도 8 또는 도 10에는 LED 소자와 콜리메이터 광학계로 이루어지고, 콜리메이터 광학계가 LED 소자측으로부터 차례로 광원측 면이 오목면인 메니스커스렌즈와 비구면을 구비하는 비구면 렌즈를 포함하는 조명 장치 및 프로젝터가 기재되어 있다. 그리고, 이와 같은 광학계의 후단에 광축으로부터 멀어짐에 따라 굴절력이 작아지는 집광광학계를 배치함으로써 광원의 주연부(周緣部)에서 사출된 광이 광원의 중심부에서 사출된 광의 집광범위로 대략 집광할 수 있도록 한 구성이 기재되어 있다.
여기에서, 최근, LED 등의 고체 발광 소자를 이용한 조명 광학계, 조명 유니트 및 그것을 사용한 화상 투영 장치에 있어서는 소형이며 고휘도인 것이 요구되고 있다. 고휘도를 구현하기 위하여, LED 등의 광원의 발광 면적을 크게 하거나 복수개 배치하여 면광원으로 하여 광원의 광출력을 증가시키는 것을 생각할 수 있다. 그 경우, 조명 광학계에 있어서는 그 광원으로부터 사출된 광을 고효율로 소정 각도 방향으로 안내할 수 있는 것이 바람직하다.
그러나, 상기와 같은 종래의 조명 광학계, 그것을 사용한 조명 유니트 및 화상 투영 장치에는 아래와 같은 문제가 있었다.
상기 특허문헌 1에 기재된 기술에서는 타원형 모양의 반사경의 초점 위치에 광원가 위치 조정될 수 있게 배치되기 때문에, 램프가 점광원의 경우에는 원하는 배광분포를 얻을 수 있지만, 램프의 크기가 렌즈나 반사경에 대해 상대적으로 커지면 이른바 면광원의 모든 발광면으로부터의 전체 사출광을 소정의 각도 방향으로 안내할 수 없고, 결과적으로 양호한 배광분포를 얻을 수 없기 때문에 광이용 효율이 악화되는 문제가 있다.
상기 특허문헌 2에 기재된 기술은 특허문헌 1과 다른 구성을 가지지만, 점광원을 전제로 하여 배광분포를 조정하는 것은 동일하므로, 광원의 크기가 상대적으로 큰 경우에는 양호한 배광분포는 얻을 수 없기 때문에 광이용 효율이 악화되는 문제가 있다.
상기 특허문헌 3에 기재된 발명에서는 콜리메이터 광학계로서 렌즈 광학계를 사용하고있기 때문에, 광원 주연부에서 사출된 광을 집광할 수 있다고 해도, 렌즈 광학계의 개구수(numerical aperture;NA)의 범위로 한정되므로, 광이용 효율을 향상하기 위해서는 개구수가 큰 콜리메이터 광학계를 구성할 필요가 있다. 그러나 이 경우, 렌즈 구성이 복잡해지거나 유효 렌즈 직경이 커져 버려, 소형이고 광이용 효율이 좋은 조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치를 달성할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은, 상술한 종래의 조명 광학계의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 광원의 발광면이 상대적으로 크고 점광원이라고 할 수 없는 경우에도 소형의 구성이면서 광이용 효율을 향상시킬 수 있는 조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 조명 광학계는 발산광을 방사하는 광원과, 이 광원으로부터의 상기 발산광을 집광하는 반사 광학계와, 이 반사 광학계에 집광된 광을 투사하는 렌즈 광학계를 가지는 조명 광학계에 있어서, 상기 반사 광학계는 비구면의 오목 거울로 이루어지고, 상기 렌즈 광학계는 중심부에서 양의 굴절력을 가지며 주변부로 갈수록 굴절력이 감소하는 비구면을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면, 광원으로부터의 발산광을 비구면의 오목 거울로 이루어진 반사 광학계에 의해 집광하고, 또 렌즈 광학계에 의해 집광하여 일정한 투사각의 범위로 집광할 수 있다.
광원으로부터의 발산광을 집광하는 오목 거울은 콜리메이터 광학계와 같이 개구수의 제약을 받는 일 없이 모든 발산광을 전방으로 반사하여 집광할 수 있는 것이다.
또한, 오목 거울을 비구면으로 함으로써, 오목 거울은 렌즈 광학계의 비구면으로서 작용함과 동시에, 효과적으로 모든 축상광과 축외광의 사출각도를 일정 범위로 억제할 수 있다. 이 때, 광원 주변으로부터의 발산광(이하, '축외광'이라 한다)은, 그 전체 광 선속 중 오목 거울의 광축에 가까운 중심 부분의 반사면에서 반사되는 것일수록, 반사 방향이 광원 중심으로부터의 발산광(이하, '축상광'이라 한다)의 반사 방향에서 크게 어긋나지만, 렌즈 광학계가 중심 부분에서 주변 부분보다 큰 양의 굴절력을 가지기 때문에, 렌즈 광학계의 중심 부분을 지나는 축외광일수록 큰 굴절이 작용한다. 따라서, 반사 광학계에 의해 축상광의 반사 방향으로부터 어긋난 축외광을 굴절하여 축상광의 반사 방향과의 차를 저감할 수 있다. 그 결과, 축외광의 렌즈 광학계로부터의 사출각도를 일정 범위로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 조명 유니트는 본 발명의 조명 광학계가 복수 마련된 구성을 가진다.
이에 따르면, 본 발명의 조명 유니트는, 본 발명의 조명 광학계를 채용하기 때문에, 본 발명의 조명 광학계와 동일한 작용 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 화상 투영 장치는 본 발명의 조명 광학계 또는 조명 유니트를 투사 광원으로서 채용한다.
이에 의하면, 본 발명의 화상 투영 장치는, 본 발명의 조명 광학계 또는 조명 유니트를 채용하기 때문에, 본 발명의 조명 광학계 또는 조명 유니트와 동일한 작용 효과를 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치를 상세히 설명하기로 한다. 참조하는 모든 도면에서 실시예가 다른 경우라 해도 동일 또는 상당하는 부재에는 동일한 부호를 첨부하고 공통된 설명은 생략한다.
[제1 실시예]
본 발명의 제1 실시예에 따른 조명 광학계에 대해서, 이를 채용한 조명 유니트 및 화상 투영 장치와 함께 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명 광학계를 사용한 화상 투영 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다. 도 2의 (a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명 광학계의 개략적인 구성 및 축상광의 광경로를 나타내는 광축을 포함하는 단면에서의 광선도이다. 도 2의 (b)는 마찬가지로 조명 광학계를 축외광의 광경로의 일례에 대해서 나타내는 광축을 포함하는 단면에서의 광선도이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명 광학계에 사용하는 광원의 일례를 나타내는 평면도이다.
프로젝터(1)는 본 실시예의 조명 광학계를 포함하는 조명 유니트(2)를 구비하고, 반사형 스크린(6)상에 예를 들어 외부 신호에 따른 컬러 화상을 투영하는 화상 투영 장치이다.
프로젝터(1)의 개략적인 구성은 조명 유니트(2), 제1 집광 렌즈(3), 공간 변조 소자(4), 및 투영 렌즈(5)로 이루어진다.
조명 유니트(2)는 풀컬러 화상을 표시하기 위해 적어도 광의 3원색인 적색, 녹색 및 청색에 대응하는 파장의 근사적인 평행광을 시분할된 타이밍으로 순차적으로 생성하는 것이다.
제1 집광 렌즈(3)는 조명 유니트(2)에서 생성된 근사적인 평행광을 공간 변조 소자(4)위의 변조 영역에 집광하는 광학 소자이다.
공간 변조 소자(4)는 제1 집광 렌즈(3)에서 집광된 광을 조사 타이밍에 대응하는 파장광의 화상 신호에 따라 공간 변조하고 색 분해된 화상을 표시하는 것이다. 공간 변조 소자(4)로서는, 예를 들어 투과형 소자로서는 액정 표시 디바이스(LCD), 반사형 소자로서는 미소 미러 어레이인 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD, Digigal Micromirror Device)나 반사형 액정 패널(LCOS, Liquid Crystal On Silicon) 등의 소자를 채용할 수 있다.
투영 렌즈(5)는 공간 변조 소자(4)에서 표시된 화상을 반사형 스크린(6)상에 확대 투영하는 광학 소자이다.
조명 유니트(2)의 상세한 구성에 대해서 설명한다.
조명 유니트(2)는 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명 광학계를 구성하는 LED 소자(10), 오목 거울(11), 및 비구면 집광 렌즈(12)를 구비하며 이들이 케이스(미도시)에 위치하여 배치된 것이다.
LED 소자(10)는 적색, 녹색 및 청색의 단색 LED 칩(R, G, B)을 독립 구동하고, 전체적으로 백색의 조명광을 형성하는 광원이다.
본 실시예에서는 도 3에 나타내는 바와 같이, 적색, 녹색 및 청색의 각 색에 대응하는 단색 LED 칩(R, G, B)이 3×3의 정방형의 매트릭스 모양으로 배열된다. 도시되지 않았으나, 이들 각 단색 LED 칩(R, G, B)에는, 발광하기 위한 전압 인가부가 마련되고, 적당한 점등 제어 수단에 의해 점등 제어될 수 있다.
각 단색 LED 칩(R, G, B)의 배치 위치는, 도시한 LED 소자(10)의 발광면의 횡 방향을 첨자 i, 종 방향을 첨자 j로 하여 Eij(단, i, j는 각각 1, 2, 3 중 하나)로 나타내면, 적색 LED 칩(R)은 위치E11, E33에 배치되고, 청색 LED 칩(B)은 위치E13, E31에 배치되고, 녹색 LED 칩(G)은 그 외의 위치에 배치되는 방식이다. 이 배치 위치에서는 LED 소자(10)의 외주부를 형성하는 E11, E12, E13, E23, E33, E32, E31, E21에 각 단색 LED 칩(R, G, B, G, R, G, B, G)이 배치되어, 각 색이 순환되므로, 인접 단색 LED 칩끼리의 밸런스가 좋아진다. 또 중앙의 E22에 대해서 각 색의 배치가 좌우 대칭 혹은 회전 대칭이 되기 때문에 2차원적으로도 밸런스가 잡혀 있다. 이와 같은 이유로, 각 단색 LED 칩(R, G, B)의 배치 위치는, LED 소자(10)의 중앙부와 주변부에 방사되는 광의 광경로에 변화가 생기더라도 조사면에서의 RGB의 밸런스가 깨지기 어려운 배열이다.
오목 거울(11)은 LED 소자(10)로부터의 발산광을 집광하는 반사 광학 소자로서, 회전 포물면에 가까운 회전 대칭 비구면으로 된 오목 반사면을 구비한다. 본 실시예에서는 오목 반사면은 직경방향의 중앙부에서 주변부로 갈수록 증대하는 굴절력을 가지는 형상으로 되어 있다.
그리고, 상기 오목 거울(11)은, LED 소자(10)의 발광면의 중심을 지나는 법 선이 오목 거울(11)의 광축과 일치하는 상태에서, LED 소자(10)로부터 적절한 거리만큼 사이를 두어 배치되어 있다.
예를 들어, 본 실시예와 같이 조명 유니트(2)로부터 근사적인 평행광을 출사하기 위해서는, 오목 거울(11)의 직경방향의 주변부에서 반사된 축상광이 근사적으로 평행광이 되는 거리에 오목 거울(11)이 배치된다.
비구면 집광 렌즈(12)는 직경방향의 중심부에서 양의 굴절력을 가지고, 직경방향의 주변부를 향해 굴절력이 감소하는 회전 대칭의 비구면 렌즈이다. 비구면 집광 렌즈(12)의 물체 측(오목 거울(11)측) 면을 제1 면(12a)이라 하고, 상(像)측 면을 제2 면(12b)이라 하자. 본 실시예에서는 도 2의 (a)에 나타나는 바와 같이, 제1 면(12a)은 중심부(12A)에서 오목면, 주변부(12B)에서 볼록면으로 형성되며, 제2 면(12b)은 중심부(12A)에서 제1 면(12a)보다 전체적으로 곡률이 작은 볼록면, 주변부(12B)에서 대략적으로 제1 면(12a)의 형상을 따른 오목면으로 각각 형성됨으로써, 비구면 집광 렌즈(12)는 상술하는 바와 같은 굴절력 분포가 구현되고 있다. 즉, 비구면 집광 렌즈(12)의 굴절력은 중심부(12A)내에서 양의 값을 취하면서 직경방향을 따라서 감소하고, 주변부(12B)에서 굴절력이 대략 0이 되어 있다. 여기에서, 중심부(12A), 주변부(12B)는 설명의 편의를 위한 상대적인 구분이며, 제1 면(12a)과 제2 면(12b)에서 각각 약간 다른 범위가 해당된다.
프로젝터(1)의 동작에 대해서, 본 실시예의 조명 광학계의 작용을 중심으로 설명한다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명 광학계에서의 축상광 및 축외광의 광학계로부터의 광선 사출각도 분포의 일례에 대해서 설명하는 그래프이다. 횡축은 LED 소자로부터의 사출광선 배광각, 종축은 조명 광학계로부터의 광선사출 각도를 나타내고, 각각의 단위는 도(°)이다. 또 각각의 각도는 광학계의 광축과 평행한 경우를 0°로 했을 때의 각도를 나타낸다.
프로젝터(1)는 예를 들어 외부로부터 R, G, B로 각각 색 분해된 화상 신호를 받으면, 조명 유니트(2)를, 예를 들어 R, G, B의 순서대로 전환 점등하고, 각각의 색에 따른 화상 신호에 대응하여 공간 변조 소자(4)를 시분할 구동한다. 조명 유니트(2)로부터 출사되는 R, G, B의 광은 제1 집광 렌즈(3)에서 집광되어 공간 변조 소자(4)에서 공간 변조되고, 각 색에 대응하는 색 분해 화상을 표시한다. 그리고, 공간 변조 소자(4)에 표시된 화상은 투영 렌즈(5)에서 확대되어 반사형 스크린(6)상에 투영된다. 그 결과, 반사형 스크린(6)상에서 풀컬러 화상을 관찰할 수 있다.
조명 유니트(2)에 점등 제어 신호가 송출되면 LED 소자(10)의 소정 색에 대응하는 단색 LED 칩(R, G, B)이 점등된다.
LED 소자(10)의 대부분은 람베르트의 법칙을 대략 만족시키기 때문에, 배광각의 코사인에 대략 비례한 배광분포를 가진다. 즉, LED 소자(10)에서 방출되는 광은, 광축에서 측정한 배광각(θ)이 0°에서 90°로 변화함에 따라 광출력이 저하하는 배광분포를 갖는 발산광이 된다.
본 실시예에서는, 예를 들어, LED 소자(10)의 발광면적은 0.5mm2이다. 이 때문에, LED 소자(10)는 점광원으로 볼 수 없고, 주변부로부터의 광이 축외광으로서 집광되고 축상광과 다른 배광분포를 형성하는 것을 무시할 수 없다.
오목 거울(11)은 그 굴절력이 중심부에서 주변부로 갈수록 감소하고, 주변부에서 축상광이 근사적인 평행광이 되기 때문에, LED 소자(10)로부터 출사된 LED 소자(10)의 축상광은 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 중심부(11A)에서 약간 발산하는 광으로서 집광되고, 주변부(11B)에서는 근사적인 평행광으로서 집광된다.
한편, 축외광은 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, LED 소자(10)로부터의 사출각이 작은 광속일수록 축상광과의 차이가 커지기 때문에 오목 거울(11)로부터의 광선 반사 각도가 커진다. 따라서, 중심부(11A)에 조사되는 상대적으로 고출력의 광이 광축에 대해서 경사진 방향으로 반사된다.
이 때, 중심부(11A)의 굴절력은 포물 반사면에 비해서 작기 때문에 광축에 대해서 각도를 가지면서 약간 발산하는 광으로서 집광된다. 주변부(11B)에서는 축상광과 같이 근사적인 평행광으로서 집광된다.
비구면인 오목 거울(11)에 의한 이와 같은 축상광 및 축외광의 집광광선은 후술하는 비구면 집광 렌즈(12)의 비구면 작용과 더불어 사출광선 각도를 제어하는 데 적합한 것이 되고 있다.
오목 거울(11)에서 반사된 광은 비구면 집광 렌즈(12)에 의해 집광된다.
오목 거울(11)의 반사에 의해 약간 발산하는 광이 된 중심부(12A)에 입사하는 축상광은 중심부(12A)의 양의 굴절력에 의해 집광되어 근사적으로 평행광이 된다. 마찬가지로, 근사적으로 평행광이 된 주변부(12B)에 입사하는 축상광은 굴절력이 대략 0의 주변부(12B)를 투과하고 근사적인 평행광으로서 출사된다.
한편, 오목 거울(11)의 반사에 의해 광축에 대해서 각도를 가지면서 약간 발 산하는 광이 된 중심부(12A)에 입사되는 축외광은, 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이, 중심부(12A)의 양의 굴절력에 의한 굴절 작용을 받아 집광되고, 광축에 대해서 한정된 광선 사출각도 분포를 가지는 근사적인 평행광이 된다. 또한, 마찬가지로 근사적으로 평행광이 된 주변부(12B)에 입사되는 축외광은, 굴절력이 대략 0인 주변부(12B)를 투과하고, 근사적으로 평행광인 채로 출사된다.
따라서, 비구면 집광 렌즈(12)로부터 사출된 광은 광축에 대한 사출각도와 조명 위치까지의 거리에 따라 정해지는 범위를 조사할 수 있다.
본 실시예의 조명 광학계는 일 예로, LED 소자(10)의 발광면적이 0.5mm2이고, 오목 거울(11)의 유효직경이 φ9.5mm이며, 비구면 집광 렌즈(12)의 유효직경이 φ9.8mm일 수 있다. 이때, 조명 광학계의 구성 파라미터는, 예를 들어 하기의 표 1 및 표 2와 같게 할 수 있다. 도 2의 (a)에 표기된 ri, di, ni(i는 정수)는 하기의 표 1과 표 2에 나타나는 광학계의 구성 파라미터의 ri, di, ni에 대응한다. 길이의 단위는 mm이다. 또한 굴절율은 d선(파장 587.56nm)을 기준으로 한 값이다.
비구면 형상은 면의 정점을 원점으로 하고, h를 광축으로부터의 높이라고 할 때 광축방향의 변위량Z(h)으로 다음의 식과 같이 주어진다.
Figure 112006058580602-pat00001
여기에서, r은 곡율반경, k는 원추 계수, A, B, C, D는 비구면 계수를 나타 낸다.
면번호 곡율반경 면간격 굴절율 아베수
r1 ∞(광원면) d1=-2.519
r2 비구면[1] d2=5.000
r3 비구면[2] d3=2.000 n1=1.5168 ν1=64.2
r4 비구면[3]
비구면[1] 비구면[2] 비구면[3]
R 6.320 -14.141 -5.648
K -1.000 0.000 0.000
A 0.258×10-3 0.192×10-2 0.552×10-2
B -0.385×10-4 0.270×10-4 -0.560×10-3
C 0.358×10-5 0.248×10-5 0.455×10-4
D -0.840×10-7 -0.102×10-6 -0.987×10-6
도 4는 본 실시예에서 상술된 조명광학계의 조건에서의 광선 사출각도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 4에 도시된 곡선 100은 본 실시예의 조명 광학계의 축상광의 광선 사출각도 분포를 나타내고, 곡선 101은 축외광(상 높이 0.35mm)의 광선 사출각도 분포를 나타낸다. 곡선 200, 201은 본 실시예의 조명 광학계 대신에 포물 반사면을 배치한 경우의 비교예이다.
포물 반사면의 경우, 그 초점 위치에 광원이 배치되었을 때에는 축상광이 평행광이 되기 때문에, 곡선 200에 나타내는 바와 같이, LED 소자(10)로부터의 사출광선 배광각(이하, 배광각이라 한다)에 관계없이, 광선사출 각도(이하, 사출각도라 한다)가 0°가 된다. 또 축외광은 배광각에 따라 약 8°의 범위에서 산재하는 분포가 된다. 이 때, 배광각이 90°에 접근할 수록 포물 반사면의 주변부에서 반사된 축외광은 축상광과의 차이가 적어지기 때문에 사출각도는 0°에 접근하고 있는 것을 알 수 있다.
한편, 본 실시예의 조명 광학계에서는 곡선 100에 나타내는 바와 같이, 축상광은, 배광각이 ±30°의 범위에서는 평행광이 되고, 배광각의 절대값이 그 이상의 범위에서는 평행광에서 약간 벗어나는 근사적인 평행광이 된다.
또한, 축외광은 곡선 101에 나타내는 바와 같이, 배광각이 약 -41°에서 약+53°의 범위에서 포물 반사면에 비해서 사출각도가 저감되고, 전체 배광각의 범위에서 사출각도가 약 5.4°이하로 억제되어 있다.
더욱이, 광축에 대해서 180°대각 방향의 축외광에 관해서는 좌우가 반전되는 분포를 얻을 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 오목 거울(11), 비구면 집광 렌즈(12)의 각각의 중심부, 주변부의 굴절력을 변경함으로써 포물 반사면만 있는 경우에 비해 배광각이 작은 범위에서의 사출각도의 어긋남을 저감할 수 있다.
한편, 배광각의 절대값이 큰 범위에서는 축상광, 축외광 모두 포물 반사면만인 경우에 비해 사출각도 분포는 나빠지지만, LED 소자(10)의 광출력 분포는 배광각이 작은 범위로 집중되어 있기 때문에, 조명광으로서의 광이용 효율은 확실히 향상되는 동시에 축상광 및 축외광의 전체 광 선속이 일정 각도 범위내에 있기 때문에 후속하는 광학계에 효율적으로 광을 이끌 수 있게 된다.
따라서, 본 실시예의 조명 광학계에 의하면, 점광원이라고 볼 수 없는 상대적으로 큰 LED 소자(10)을 사용하는 경우에서도, 양호한 광이용 효율을 확보할 수 있고, 조명 유니트(2)나 프로젝터(1)를 소형화 할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 실시예에서는 LED 소자(10)를 복수의 단색 LED 칩(R, G, B)으로 구성하기 때문에, 각 색광을 합성하는 광학계 등을 사용하는 일 없이 프로젝터(1)를 구성할 수 있다. 그 때문에 콤팩트한 장치를 구성할 수 있다.
또한 단색 LED 칩(R, G, B)의 2차원 배열 밸런스가 좋기 때문에 축외광 성분이 되는 LED 소자(10)의 외주부의 LED 칩의 색 편향이 상쇄되고, 화이트 밸런스의 악화를 방지할 수 있는 이점이 있다.
본 실시예의 조명 광학계는 광원이 반사 광학계의 유효직경에 대해 유한한 크기를 가지는 면광원으로 간주될 수 있는 구성으로 되어 있다. 이 경우, 상기 광원의 발광면의 직경 내지 한 변의 길이는 상기 반사 광학계의 유효직경보다 작은 것이 바람직하다. 본 발명은 유효직경이 작은 콤팩트한 반사 광학계를 사용하는 경우에도 유한한 크기를 가지는 면광원을 사용할 수 있기 때문에, 점광원으로 볼 수 있는 작은 광원을 사용하지 않아도 좋다. 이에 따라, 콤팩트하면서도 비교적 광량이 큰 조명 광학계가 구현가능하다.
또한, 본 실시예의 조명 광학계는 광원이 복수의 발광 소자를 배치하여 구성된 경우다. 이 경우, 복수의 발광 소자의 파장을 변경함으로써 예를 들어, 백색광 등 복수의 파장광을 포함하는 콤팩트한 조명 광학계를 구성할 수 있다. 또 복수의 발광 소자를 가지기 때문에 점등 타이밍을 바꿈으로써 각각의 발광 소자의 발광 부하를 저감하고 발열 등을 저감할 수 있다.
본 실시예의 조명 광학계는 오목 거울의 비구면 반사면, 비구면 집광 렌즈의 2개의 비구면 형상을 적절히 변형하여 실시할 수 있다.
도 5a는, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 조명 광학계의 개략적인 구성 및 축상광의 광경로를 나타내는 광축을 포함하는 단면에서의 광선도이다. 도 5b는, 마찬가지로 조명 광학계를 축외광의 광경로의 일례에 대해서 나타내는 광축을 포함하는 단면에서의 광선도이다.
본 변형예의 조명 광학계는 조명 유니트(20)로 구성된 것으로, 도 1을 참조하여 설명된 제1 실시예의 프로젝터(1)의 조명 유니트(2)를 대신하여 사용될 수 있다. 또한, 상술된 제1 실시예의 LED 소자(10), 오목 거울(11), 비구면 집광 렌즈(12) 대신에 각각 LED 소자(13), 오목 거울(14), 비구면 집광 렌즈(15)를 구비한다.
본 변형예의 조명 광학계는 상술된 제1 실시예의 LED 소자(10)에 비해 더 큰 발광면을 구비하는 LED 소자(13)를 사용하고, 상대적으로 더 콤팩트한 구성을 실현할 수 있도록, 오목 거울(14), 비구면 집광 렌즈(15)의 비구면의 조건을 설정한 것이다.
도 5a를 참조하면, 본 변형예에서는 LED 소자(13)의 발광면적을 1.0mm2, 오목 거울(14)의 유효직경을 φ16.0mm, 비구면 집광 렌즈(12)의 유효직경을 φ16.0mm로 하고 있다.
오목 거울(14), 비구면 집광 렌즈(15)의 형상은 정성적으로는 오목 거울(11), 비구면 집광 렌즈(12)와 같은 비구면 형상을 채용하고 있다. 즉, 도 5a에 나타내는 바와 같이, 상술된 제1 실시예의 중심부(11A, 12A,), 주변부(11B, 12B), 제1 렌즈면(12a), 제2 렌즈면(12b)에 대해 각각, 중심부(14A, 15A), 주변부(14B, 15B), 제1 렌즈면(15a), 제2 렌즈면(15b)이 대응되고 있다. 단, 비구면 집광 렌즈(15)는 주변부(15B)에 대해서 중심부(15A)가 차지하는 비율이 커졌다.
아래의 표 3과 표 4는 변형예의 조명 광학계의 구성 파라미터의 구체적 예를 나타낸다. 각 기호 및 단위는 상술된 표 1 및 표2와 같다.
면번호 곡율반경 면간격 굴절율 아베수
r1 ∞(광원면) d1=-4.211
r2 비구면[1] d2=10.000
r3 비구면[2] d3=4.000 n1=1.5168 ν1=64.2
r4 비구면[3]
비구면[1] 비구면[2] 비구면[3]
R 11.069 -27.168 -10.235
K -1.000 0.000 0.000
A 0.405×10-4 -0.59×10-3 0.146×10-3
B -0.777×10-7 -0.150×10-5 -0.624×10-5
C 0.167×10-7 0.878×10-7 0.104×10-6
D -0.171×10-9 -0.255×10-9 -0.297×10-9
이러한 구성에 의하면, 상술된 제1 실시예와 같은 작용 효과를 갖는다.
도 6은 본 발명의 변형예에 따른 조명 광학계에서의 축상광 및 축외광의 광학계로부터의 광선 사출각도 분포에 대해서 설명하는 그래프이다. 횡축은 LED로부터의 사출광선 배광각, 종축은 조명 광학계로부터의 광선사출 각도를 나타내고, 각각의 단위는 도(°)이다.
곡선 102는 본 변형예의 조명 광학계의 축상광의 광선 사출각도 분포를 나타내고, 곡선 103은 축외광(상 높이 0.70mm)의 광선 사출각도 분포를 나타낸다. 곡선 202, 203은 본 변형예의 조명 광학계 대신에 포물 반사면을 배치한 경우의 비교예이다.
본 변형예의 조명 광학계에서는 곡선 102에 나타내는 바와 같이, 축상광은 배광각이 ±30°의 범위에서 평행광이 되고, 배광각의 절대값이 그 이상의 범위에서 약간 평행광에서 벗어나는 근사적인 평행광이 된다. 단, 상기 축상광은, 도 4의 경우와 달리, 모든 배광각에서 사출각도가 약 0.5°이하가 되기 때문에 더 양호한 근사적인 평행광을 형성하게 된다.
또한, 축외광은, 곡선 103에 나타내는 바와 같이, 배광각이 약 -37°에서 약 + 37°의 범위에서 포물 반사면에 비해 사출각도가 저감되고, 모든 배광각의 범위에서 사출각도가 약 5.4°이하로 억제되어 있다. 또한 상기 축외광은, 도 4의 경우에 비해 분포 대칭성이 양호하게 되어 있다.
이와 같이 본 변형예에 의하면, LED 소자(13)의 한 변의 크기가 LED 소자(10)의 2배, 면적에서는 4배가 되는데, 오목 거울(14), 비구면 집광 렌즈(15)의 유효직경은 각각 1.68배, 1.63배에 불과하기 때문에, 보다 콤팩트한 구성으로 축외광이 효율적으로 집광되는 것을 알 수 있다.
따라서, 예를 들어 광량의 필요성 등에 의해, 발광면적이 1mm2인 LED 칩으로부터의 광을 투사하는 경우, 상술된 제1 실시예의 조명 유니트(2)에서는 4개 배치할 필요가 있지만, 본 변형예의 조명 유니트(20)에서는 1개면 된다. 이에 따라, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치를 보다 콤팩트하게 구성할 수 있는 이점이 있다.
또한 더 넓은 범위로 LED 칩을 배치할 수 있기 때문에 LED 칩의 배치 개수를 늘릴 수 있어 바람직하다.
[제2 실시예]
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 조명 광학계를 사용한 화상 투영 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다.
본 실시예의 리어 프로젝션 텔레비젼(30)의 개략적인 구성은 도 7에 나타내는 바와 같이, 조명 유니트(2), 제1 집광 렌즈(3), 공간 변조 소자(4), 제2 집광 렌즈(16), 거울(17), 투영 렌즈(18) 및 투과형 스크린(19)로 이루어진다. 이하, 상술된 제1 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
제2 집광 렌즈(16), 투영 렌즈(18)는 공간 변조 소자(4)로부터 출사되는 공간 변조된 화상을 투과형 스크린(19)에 확대 투영하기 위한 투영 광학계이다.
거울(17)은 이 투영 광학계의 광경로를 접기 위한(fold) 광 편향 수단이다.
투과형 스크린(19)은, 특별히 도시하지 않으나, 예를 들어, 프레넬 렌즈 시트와, 확산층을 포함하는 렌티큘러 시트가 적층되어 이루어지고, 투영 렌즈(18)로부터 투사되는 발산광을 프레넬 렌즈 시트에서 수평 방향으로 나아가는 근사적인 평행광으로 하고, 렌티큘러 렌즈 시트를 투과할 때, 수평, 수직 방향으로 적절히 확산시키는 것이다. 그 때문에, 관찰자는 투과형 스크린(19)의 투과광에 의한 화상을 일정 범위의 시야각의 범위에서 관찰할 수 있다.
이와 같은 리어 프로젝션 텔레비젼(30)에 의하면, 조명 유니트(2)를 투영 광원으로서 사용하기 때문에 조명 유니트(2)와 동일한 작용 효과를 갖출 수 있다.
여기에서, 조명 유니트(2)로서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명 광학계를 모두 적합하게 채용할 수 있다. 예를 들어, 조명 유니트(2) 대신에 조명 유니트(20)을 채용할 수도 있다.
[제3 실시예]
본 발명의 제3 실시예에 따른 화상 투영 장치에 대해서 설명한다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 조명 광학계를 사용한 화상 투영 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다.
본 실시예의 프로젝터(40)는 도 8에 나타내는 바와 같이, 상술된 제1 실시예의 프로젝터(1)의 조명 유니트(2), 제1 집광 렌즈(3) 대신에 조명 유니트(21), 광경로 합성 수단(22)을 구비한다. 이하, 상술된 제1 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
조명 유니트(21)는 각각, 적색, 녹색, 청색의 평행광을 출사하는 조명 광학계(21R, 21G, 21B)를 구비한다. 각 조명 광학계는 상기 제1 실시예의 조명 유니트(2(20))에 있어서, LED 소자(10(13))를 각각 적색, 녹색, 청색의 파장광을 발생하는 단색 LED 칩을 가지는 단색 LED 소자로 대체한 것이다. 각 단색 LED 소자는 단일 LED 칩이어도 좋고 복수의 LED 칩을 배열한 것이어도 좋다.
광경로 합성 수단(22)은 조명 유니트(21)로부터 출사되는 3색의 광을 동일 광경로로 합성하고, 공간 변조 소자(4)상의 소정의 영역으로 집광하는 것이다. 예를 들어, 다이크로익 프리즘 또는 다이크로익 미러와 적당한 집광 렌즈의 조합 등을 채용할 수 있다.
이러한 구성의 프로젝터(40)는 상술된 제1 실시예에 따른 조명 광학계를 복수 구비한 화상 투영 장치의 일 예이다. 따라서, 본 실시예는 상술된 제1 실시예와 같은 작용 효과를 갖는다.
덧붙여, 상술된 설명에서는, 광원으로 LED 소자를 사용하고, LED 소자와 반사 광학계 사이에 광학계를 배치하지 않는 구성의 예로 설명했지만, LED 소자와 반사 광학계 사이에, 반사 광학계에 입사되는 배광각의 범위를 좁히기 위해 집광작용을 갖는 렌즈나 도광수단 등의 광학 소자가 마련될 수도 있다. 또한, LED 소자의 공간적 고정과 전극 배치를 위해서 LED 소자의 반사 광학계 사이의 공간을 광투과성 수지로 채우는 구성으로 해도 동일한 효과를 얻을 수 있음은 물론이다.
또한, 상술된 제3 실시예의 설명에서는 조명 광학계(21R, 21G, 21B)가 조명 유니트(21)를 구성한 예가 설명되었으나, 조명 광학계(21R, 21G, 21B)를 각각 독립된 조명 유니트로 한 구성도 가능하다.
또한, 상술된 설명에서는 광원이 반사 광학계나 집광 렌즈의 유효직경에 대해 면광원이라고 볼 수 있는 경우를 예로 설명하였으나, 본 발명의 광원은 면광원에 한정되는 것은 아니다. 광원이 점광원이라고 볼 수 있는 경우에서도 광원이 광축으로부터 어긋나 배치된 경우에 광이용 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상술된 설명에서는 오목 거울이 중심부에서 주변부를 향해 증대하는 굴절력을 가지는 경우를 예로 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 오목 거울의 굴절력이 중심부에서 주변부에 걸쳐서 증대하지 않는 경우는 렌즈 광학계에서의 굴절력 분포에서 상대적인 굴절력의 밸런스를 잡도록 설정하면 된다.
또한, 상기 설명에서는 조명 광학계로부터 근사적인 평행광을 출사하는 경우를 예로 설명했지만, 조명 광학계의 상대 배치를 바꾸고 발산광 또는 수습광을 출사하도록 할 수도 있다.
또한, 상기 설명에서는 본 발명의 조명 광학계를 사용하는 예로서, 화상 투영 장치에 사용하는 경우의 예에 대해서 설명했지만, 조명광을 조사하는 것이면 특별히 화상을 투영하는 장치에 한정되지 않으며 적당한 조명 장치, 투광 장치의 일부로서 사용할 수 있다.
여기에서, 상기 각 실시예의 용어와 특허 청구 범위의 용어의 대응 관계에 대해서 명칭이 다른 경우에 대해서 설명한다.
프로젝터(1, 40), 리어 프로젝션 텔레비젼(30)은 화상 투영 장치의 일 실시예이다. LED 소자(10, 13)는 광원의 일 실시예이다. 비구면 집광 렌즈(12, 15)는 렌즈 광학계의 일 실시예이다. LED 칩(R, G, B)은 발광 소자의 일 실시예이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 반사 광학계를 사용하기 때문에 광원으로부터의 발산광을 효율적으로 집광할 수 있다.
둘째, 광원을 점광원으로 볼 수 없는 경우에서도 반사 광학계에서 발생하는 축상광에 대한 축외광의 반사 방향의 어긋남을 렌즈 광학계에 의해 저감할 수 있기 때문에, 렌즈 광학계로부터 출사되는 광을 축외광도 포함시켜 효율적으로 집광할 수 있고, 광이용 효율을 향상할 수 있다.
이러한 본원 발명인 조명 광학계, 조명 유니트 및 이를 채용한 화상 투영 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 발산광을 방사하는 광원과, 이 광원으로부터의 상기 발산광을 집광하는 반사 광학계와, 이 반사 광학계에서 집광된 광을 투사하는 렌즈 광학계를 가지는 조명 광학계에 있어서,
    상기 광원은 상기 반사 광학계의 유효직경에 대해 유한한 크기를 갖는 면광원이며,
    상기 반사 광학계는 비구면의 오목 거울로 이루어지고,
    상기 렌즈 광학계는, 중심부에서 양의 굴절력을 가지며 주변부로 갈수록 굴절력이 감소하는 비구면을 갖는 집광 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사 광학계의 오목 거울은,
    회전 대칭 비구면으로 된 오목 반사면을 구비한 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 오목 거울의 오목 반사면은,
    중심부에서 주변부로 갈수록 증대하는 굴절력을 가지는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 오목 거울은,
    상기 오목 거울의 직경방향의 주변부에서 반사된 축상광이 근사적으로 평행 광이 되는 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집광 렌즈는 양면 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  6. 제5항에 있어서, 상기 집광 렌즈는,
    상기 오목 거울측 면인 제1 면은, 중심부에서 오목면이고 주변부에서 볼록면이며, 상기 오목 거울측 면의 이면인 제2 면은, 중심부에서 상기 제1 면의 오목면보다 곡률이 작은 볼록면이고, 주변부에서 상기 제1 면의 볼록면 형상을 따른 오목면으로 형성된 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원은, 복수의 발광 소자가 배치되어 구성된 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발광 소자는 R,B,B의 단색 발광 소자인 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광원의 발광면의 외주부에 배치되는 단색 발광 소자는, 각 단색이 순환되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 광원의 발광면의 중앙부에 배치되는 단색 발광 소자는, 각 단색이 좌우 대칭 또는 회전 대칭되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  12. 제1항 내지 제6항, 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 조명 광학계가 복수개 마련된 조명 유니트.
  13. 제1항 내지 제6항, 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 조명 광학계를 투영 광원으로서 사용하는 화상 투영 장치.
  14. 제12항에 기재된 조명 유니트를 투영 광원으로서 사용하는 화상 투영 장치.
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