KR100858571B1 - 포물면 반사경을 사용하는 프로젝션 시스템을 위한소광원으로부터 광의 커플링 - Google Patents

Abstract

제1 포물면 부분은 램프로부터의 임의의 광을 균질기 위에 상기 광을 재집중시키는 제2 포물면 부분으로 향하는 평행 광선으로 모으고 집중시킨다. 상기 제2 포물면은 상기 제1 포물면 반사경과 실질상 유사한 모양이다. 상기 소스와 상기 타깃은 상기 광원으로부터의 광속(optical flux)이 거의 확대가 없는 이미지 시스템에서 최소 뒤틀림으로 상기 타깃에 이미지 되도록 상기 포물면의 각각의 초점에 위치된다. 상기 시스템은 부가 필터를 삽입함으로써 파장과 강도를 조절하도록 배열될 수 있다. 또한, 균질기에서 전체 속 밀도(flux density)를 증가시키기 위하여 역반사경이 부가될 수 있다. 출력은 광을 프로젝터의 광 엔진에 공급하는데 특히 적합하다.

Description

포물면 반사경을 사용하는 프로젝션 시스템을 위한 소광원으로부터 광의 커플링{COUPLING OF LIGHT FROM A SMALL LIGHT SOURCE FOR PROJECTION SYSTEMS USING PARABOLIC REFLECTORS}

본 발명은 밝고 균일한 조명(illumination)을 이미지 프로젝션 시스템의 작은 타깃(target)에 제공하기 위하여 전자기 에너지를 모으고 집중시키는 시스템과 방법에 관한 것이다.

광선 내에 위치한 공간 광 변조기("SLM")를 사용하는 것은 영상 프로젝터 시스템 기술분야에서 잘 알려진 것이다. SLM은 투사된 이미지를 형성하기 위하여 광선을 변조하는 투명하고 불투명한 영역의 패턴을 포함하는 반투명 장치이다. 특히, SLM은 광선으로부터 투사된 이미지를 만들어 내기 위해 전자적으로 조절되는 수많은 소영역(픽셀)의 제어 가능한 광 투명체로 구성되어 있다.

SLM의 한 타입에 있어서, 액정은 프로젝션 시스템으로부터의 광 방사를 각각의 픽셀에서 수정한다. 액정을 통하는 광의 전송은 액정의 편광상태에 달려있고, 그것은 출력에 있어 밝거나 어두운 점의 등가(equivalent)를 형성하기 위해 빛을 전송하거나 차단하도록 조절될 수 있다. 액정의 편광상태는 광 방사를 아주 정확하게 제어하도록 전기적으로 제어될 수 있다. 픽셀을 한정하는 액정은 상대적으로 작 고 전자 제어는 액정을 정밀하게 제어하도록 하기 때문에, 결과로서 생기는 투사된 이미지는 매우 정확하고 뚜렷할 수 있다.

한편, 각각의 픽셀에는 광 방사를 수정하기 위한 디지털 거울(digital mirror)이 있다. 상기 디지털 거울은 가동 거울로 구성되어 있어서 상기 광이 스크린 쪽으로 또는 스크린으로부터 떨어진 곳으로 반사되고, 따라서 상기 밝거나 어두운 점들을 형성한다. 게다가, 디지털 거울의 위치를 정하는 것은 광 방사를 아주 정확히 제어하도록 전자적으로 제어된다.

따라서, 이미지 프로젝션 시스템에서 SLM을 사용하는 것은 픽셀을 통하여 광 방사의 정밀한 전자적 제어가 가능하기 때문에 유리하다. 그러므로, SLM을 포함하는 프로젝션 시스템은 정밀하고 고해상도의 투사된 이미지를 만들어 낼 수 있다.

그러나, SLM 프로젝션 시스템의 성능은 램프로부터 SLM으로 광 에너지를 모으고 집중시키는 데 결정적으로 달려있다. 특히, 공간 변조기에 조명하고(illuminate) 스크린으로 출력을 투사하기 위하여, 광은 상기 SLM 전체에 균일하고 충분한 양의 휘도를 가지는 것이 필요하다.

프로젝션 시스템에 있어서, 램프와 같은 광원으로부터 빛을 모으고 집중시키는 몇 가지 알려진 시스템이 있다. "온-액시스(on-axis)" 시스템에 있어서, 광원과 타깃(target)은 광축 상에 위치한다. 이러한 온-액시스 시스템에서는, 광원으로부터 광을 전송하기 위한 이미징 렌즈와 함께 타원형이거나 포물형인 하나 이상의 반사경을 사용하는 것으로 알려진다. 그러나, 상기 온-액시스 시스템은 상기 광원을 상기 SLM으로 연결할 때 휘도를 잃는 기본적인 한계가 있다. 이러한 휘도의 손실은 전반적인 효율과 프로젝션 시스템의 성능을 감소시킨다.

미국특허 제4,757,431호("'431 특허")에는 작은 타깃을 조명하는 플럭스(flux)와 상기 작은 타깃에 도달하는 수집 가능한 플럭스 밀도의 양을 높이기 위하여 오프-액시스(off-axis) 구면 오목 반사경을 채택한 향상된 광 콘덴싱(condesing) 및 콜렉팅(collecting) 시스템이 기술되어 있다. 보다 향상된 광 콘덴싱 및 콜렉팅 시스템은 미국특허 제5,414,600호("'600 특허")에 있고, 그것은 타원면 오목 반사경의 사용을 개시한다. 유사하게, 미국특허 제5,430,634호("'634 특허")는 환상면 오목 반사경의 사용을 개시한다. 상기 '431, '600 및 '634 특허의 시스템은 거의 1대 1(확대 없음) 이미지를 제공하고 광원으로부터의 휘도를 유지한다. 그러나, 모인 광량이 반사경 수집각(collection angle) 상승으로 증가되기 때문에 이들 시스템은 1대 1 (단위) 확대를 잃고, 그것은 전반적인 프로젝션 시스템의 성능을 떨어뜨린다. 그러므로, 이들 시스템에 있어서, 조명의 휘도를 증가시키는 것은 생성되는 이미지의 질을 저하시킨다.

분광기(spectroscopy) 관련 분야에서, 광원으로부터 광을 모으고 집중시키는 것이 또한 필요하다. 특히, 광원으로부터의 광은 샘플에서 초점된다. 그 다음에 상기 샘플은 상기 샘플로부터의 복사(radiation)를 모으고 평가함으로써 테스트된다.

분광기에 있어서, 상기 광원으로부터의 광 방사(emissions)를 집중시키기 위하여 오프-액시스 반사 시스템에서 포물형 반사 거울을 사용하는 것이 일반적이다. 예컨대, 미국특허 제3,986,767호는 오프-액시스 포물면 반사경을 사용하여 테스트 샘플 바로 위의 작은 점으로 초점되는 평행 광선을 설명한다. 유사하게, 미국특허 제4,591,266호(Re 32,912)는 어울리는 한 쌍의 오프-액시스 포물면 반사경을 사용하는 분광기 시스템을 개시하는데, 상기 반사경들은 상호간에 광학적으로 이미지된 공통 점이나 2개의 점에서 샘플 위에 광학적으로 이미지된 초점들이 있고, 광원으로부터 방사되는 각각의 광선이 대략 같은 초점 거리를 갖는 반사경 상의 점들에서 두 반사경과 부딪치도록 상대적인 위치와 방위를 갖는다. 미국특허 제4,473,295호는 광을 테스트 샘플로 모으고 집중시키기 위해 포물면을 사용하는 다른 분광기의 배치를 설명한다.

유사하게, 미국특허 제5,191,393호("'393 특허") 및 상응하는 유럽특허 제EP0401351B1호는 작은 특징들을 광학적으로 측정하기 위하여 클린룸(cleanroom)의 외부로부터 클린룸으로 광을 전달하는 것에 관한 것이다. '393 특허에 소개된 배치 중 하나는 아크 램프, 2개의 포물면 반사경, 단일 섬유를 사용하고, 필요한 파장을 필터링하기 위한 투과형 다이크로익 필터(transmissive dichroic filter)의 사용이다.

오프-액시스 포물면의 사용은 상기 인용된 특허에서 설명된 것처럼 본질적으로 광원에서 출력 타깃으로 효과적으로 연결하는 것(coupling)을 제공하지 않는다.

그러므로, 이러한 불리함을 극복하는, 작은 소스(source)에서 프로젝션 시스템으로 광을 연결하는 방법론이 요구되고 있다.

발명의 요약

이러한 요구에 응답하여, 본 발명은, 하나는 소스에 다른 하나는 타깃에 실 질상 대칭으로 배치된 포물면의 두 섹션을 사용하는 시스템을 제공한다. 상기 포물면 반사경은, 상기 소스로부터 방사되는 광의 각각의 광선이 상기 두 포물면의 대응하는 표면에서의 곡률에 의해 상기 프로젝션 시스템의 상기 타깃으로 시준되고(collimate) 재집중되고(refocus) 따라서 실질상 단위 확대하고 광을 최대로 집중하도록 실질상 대칭으로 배치된다.

본 발명의 실시예는 다음 도면을 참조하여 설명될 것이고, 여러 도면에서 구성요소나 특징 같은 것은 참조번호 같은 것으로 표현된다.

도1(선행기술)은 기지의 콜렉팅 및 콘덴싱 광학 시스템(collecting and condensing optical system)을 사용하는 프로젝션 장치의 개략도이다.

도2-4는 본 발명에 따른 콜렉팅 및 콘덴싱 광학 시스템의 다양한 실시예의 개략도이다.

도5는 전형적인 광원으로부터 출력 플럭스의 등거리 플롯(isometric plot)이다.

도6은 본 발명의 콜렉팅 및 콘덴싱 광학 시스템의 양호한 실시예에 사용된 테이퍼(tepered) 균질기의 개략도이다.

도7은 본 발명의 실시예에 따라 도1의 프로젝션 시스템에서 사용하기 위한 콜렉팅 및 콘덴싱 광 시스템의 개략도이다.

도8A-8F는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 다수의 다각형 라이트가이드(lightguide)(도파관) 타깃 단면의 개략도이다.

도9는 본 발명에서 이용되는 단일 섬유, 섬유 다발, 또는 라이트가이드(도파관)일 수 있는 원형 단면 타깃의 개략도이다.

도10A는 본 발명의 일 실시예에 따라서 점증 테이퍼 라이트가이드 타깃을 예시하는 개략적인 측면도이다.

도10B는 다른 실시예에 따라서 점감 테이퍼 라이트가이드 타깃을 예시하는 개략적인 측면도이다.

도11은 본 발명에 이용될 수 있는 속이 빈 파이프 라이트가이드 균질기의 단면도이다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

도면을 참조하여, 본 발명의 대표적인 실시예가 설명될 것이다. 이러한 실시예는 본 발명의 원리를 예시하는 것이고 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다.

도1은 전자기 복사를 모으고 집중시키기 위해 기지의 조명 어셈블리(10)를 사용하는 프로젝션 시스템을 예시한다. 상기 조명 어셈블리(10)는, 제1 초점(12)에서 상기 광원(20)으로부터 방사되는 광이 타원형 반사경의 제2 초점(13)에 배치된 입력으로 도파관(60) 내에 모아지고 초점되도록 타원형인 온-액시스 반사경(11) 내에 수용된 광원(20)을 포함한다. 상기 도파관(60)은 상기 제2 초점(13)에서 입력으로부터 광을 모으고 인티그레이터(integrator) 내부에서 다수 반사를 통하여 도파관 출력(14)에서 보다 균일한 강도 프로파일(profile)을 만들어내도록 상기 광을 혼합하는 전형적으로 인티그레이터이다.

일반적으로 자외선-적외선(UV-IR) 필터(15)는 상기 도파관 출력(14)의 출력을 받아 상당 량의 UV 및 IR 복사를 제거한다. 상기 UV 및 IR 복사 레벨은 전자기 스펙트럼의 가시 광 부분으로부터의 복사만을 반사하는 콜드 미러(cold mirror)(16)에 의해 더 감소될 수 있다. 상기 조명 어셈블리(10)는 프로젝션 광 엔진(100)을 조명하기 위하여 상기 광을 실질상 평행한 광선으로 시준하는 한 세트의 릴레이 렌즈(relay lenses)(17)를 더 포함할 수 있다.

상기 광 엔진(100) 내부에서, 입력 광선은 당해 기술분야에서 잘 알려진 다수의 다이크로익 필터(102)를 사용하여 3색의 광선, 빨간색, 녹색, 파란색으로 분리된다. 그 다음에, 각각의 광선은 편광 광선 분리기(polarizing beam splitter : PBS)(104)에 의해 편광되고 공간 광 변조기(SLM)(105)를 통과하고, 여기서 SLM의 각 픽셀(104) 강도는 상기 본문에서 설명된 바와 같이 편광을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 그 다음에, 3개의 조절된 출력 광선은 색 합성기(106)에 의해 합성되고 프로젝션 렌즈(108)을 통하여 스크린 위로 투사된다.

SLM(104)을 통하여 모아지고 투사될 수 있는 광량은 모듈레이터(modulator)의 표면 영역과 다음 식으로 주어진 시스템의 범위(etendue)에 의해 한정되는 시스템의 개구수 N에 달려있다.

(1) 범위(Etendue) = Π×조명 영역 ×N

총 광량이 상기 반사경에 의해 모아진 상기 광원으로부터 이용 가능함에도 불구하고, 단지 이 범위 내 광량만이 상기 광 엔진에 의하여 이용 가능할 것이다.

상기 조명 어셈블리(10)의 기능적 목적 중 하나는 상기 범위 내에서 최대량 광 에너지를 가지는 광 출력을 만들어내는 것이다. 예컨대, 집중된 광원을 사용하거나 상기 반사경에서 일정한 확대를 유지함으로써 상기 범위 내 휘도는 향상될 수 있다.

더욱이, 상기 기지의 조명 어셈블리 시스템(10)은 도1에 예시된 것처럼 상기 단일 온-액시스 타원형 반사경을 사용하고, 또는 하나의 온-액시스 포물면 반사경은(도시되지 않음) 상기 타깃(60)에 도달하기 전에 상기 광의 범위를 감소시키고 따라서 상기 광 엔진(100)으로부터의 출력을 감소시키는 "각 이상의 확대(magnification-over-angle)"의 고유 변화를 가진다.

본 발명에서 설명된 시스템은 이 기초적인 제한을 넘어선다. 도2와 관련하여, 본 발명은 다음 네 가지 주요 구성 성분을 가진 광 수집 및 콘덴싱 시스템이다.

1. 전자기 소스(Electromagnetic Source)

전자기 소스(20)는 바람직하게는 엔벌로우프(envelope)(22)가 있는 광원이다. 가장 바람직하게는, 상기 소스(20)는 크세논(xenon) 램프, 금속-할로겐화물(metal-halide) 램프, HID 램프, 또는 수은 램프 같은 아크(arc) 램프를 포함하다. 아래에 보다 상세히 설명될 것이지만, 일정한 애플리케이션(applications)에 대하여, 상기 시스템이 상기 램프의 비불투명 필라멘트를 수용하기 위해 변경될 경우, 할로겐 램프 같은 필라멘트 램프가 사용될 수 있다.

2. 시준 반사경(Collimating Reflector)

시준 반사경(30)은 광축(38)과 초점(36)을 가진 일부 회전 포물면을 포함한다. 상기 시준 반사경(30)은 바람직하게는 반사 코팅(예컨대, 알루미늄 또는 은) 되어 있고 표면이 잘 닦여 있다. 일정한 용도에 대하여, 상기 시준 반사경(30)은 파장 선택성 다층 유전체 코팅으로 코팅된 유리로 만들어질 수 있다. 예컨대, 가시 파장에서만 높은 반사성이 있는 콜드 코팅(cold coating)은 가시 광 애플리케이션에 대하여 사용될 수 있다. 상기 소스(20)는 시준 반사경의 초점(36)에 위치해 있어서, 상기 반사경(30)과 접촉하는 전자기 복사는 상기 반사경(30)의 광축(38)에 평행하게 시준되는 광선으로서 반사될 것이다. 상기 소스(20)가 아크 램프인 경우에, 아크 갭(arc gap)은 바람직하게는 상기 시준 반사경(30)의 초점 거리에 비하여 작다.

3. 초점 반사경(Focusing Reflector)

초점 반사경(40)은 광축(48)과 초점(46)을 가진 일부 회전 포물면을 포함한다. 아래에 보다 상세하게 설명될 것이지만, 상기 초점 반사경(40)은 상기 시준 반사경(30)과 실질상 같은 크기이고 실질상 같은 모양이어야 한다.

상기 초점 반사경(40)은 상기 시준 반사경(30)에 의해 반사된 상기 시준된 전자기 복사가 상기 초점 반사경(40)의 포물면 표면에 부딪힌 후 상기 초점 반사경(40)의 초점(46) 쪽에 초점되도록 위치하고 방향이 맞춰진다. 시준 반사경(30)과 초점 반사경(40) 사이에 실질상 단위(1대 1) 확대를 하기 위하여(즉, 상기 소스와 실질상 같은 크기로 초점된 이미지), 시준 반사경(30)의 표면 부분에 의해 반사되고 시준되는 전자기 복사의 실질상 각 광선이 상기 초점(46)에서 가능한 한 최대 휘도로 초점되도록 초점 반사경(40)의 대응하는 표면 부분에 의해 반사되고 초점되는 것이 중요하다. 본 명세서의 관계에 있어서, 상기 시준 반사경(30)의 표면 부분에 의해 시준된 전자기 복사의 실질상 각 광선이 상기 초점 반사경(40)의 대응하는 표면 부분에 의하여 초점되도록 하기 위하여 서로에 대하여 상기 시준 반사경(30)과 상기 초점 반사경(40)의 방향을 맞추고 위치를 정하는 것은 서로에 대하여 실질적인 "광학 대칭"으로 상기 반사경들의 위치를 정하는 것으로서 참조될 것이다.

4. 타깃(Target)

타깃(60)은 실질상 가능한 한 최고 강도인 조명을 요하는 작은 대상물이다. 바람직한 실시예에서, 상기 타깃(60)은 단일 코어(core) 광섬유, 광섬유의 융합된 다발, 섬유 다발, 또는 균질기와 같은 도파관이다.

적당한 타깃(60)은 도8A-8F에 나타난 바와 같이 단면이 다각형일 수 있거나 도9에 나타난 바와 같이 단면이 원형일 수 있다. 더욱이, 타깃(60)은 도10A에 나타난 바와 같이 점증 테이퍼 라이트가이드일 수 있거나 도10B에 나타난 바와 같이 점감 테이퍼 라이트가이드일 수 있다. 또한, 타깃(60)은 도11에 나타난 바와 같이 반사하는 안쪽 벽 R을 가진 속이 빈 파이프 균질기일 수 있다.

상기 타깃(60)의 입력 단부(62)는, 예컨대 광섬유의 인접 단부, 상기 초점 반사경(40)에 의해 반사되는 상기 전자기 복사의 초점되는 광선을 받기 위해 상기 초점 반사경(40)의 상기 초점에 위치되고, 상기 광은 상기 타깃을 출력 단부(64)로 나간다.

상기 타깃 및 상기 소스가 본 발명의 상기 콜렉팅 및 콘덴싱 시스템과 직접적으로 관련되어 있지만, 그것의 보다 광범위한 면에 따라서, 상기 발명은 서로에 대하여 실질상 광학적으로 대칭이 되도록 배열된 실질상 동일 크기와 모양인 두 개의 포물면 반사경의 사용에 관한 것이다.

상기 콜렉팅 및 콘덴싱 시스템의 상세한 설명에 계속하여, 도2에 나타난 배열에 있어, 상기 시준 반사경(30)과 상기 초점 반사경(40)은 상호간에 오목해 지도록 상호간에 대하여 대립되어 마주보는 관계로 위치된다. 광학적 대칭은, 반사경들의 반사 광축(38, 39)이 광학적으로 동일 선상이고 상기 시준 반사경(30)의 반사 표면이 상기 초점 반사경(40)의 대응하는 반사 표면과 대립되어 마주보는 관계가 되도록 상기 시준 반사경(30)과 상기 초점 반사경(40)을 배열함으로써 도2의 배열로 이루어진다.

본 발명에 대한 설명을 용이하게 하기 위하여, 상기 광원(20)으로부터 방사되는 복사의 두 가지 다른 가능한 방향을 나타내는 두 광선 a와 b가 도2에 도시되어 있다. 상기 광원(20)으로부터 상기 시준 반사경 광선(30)까지의 거리가 상기 광선 a의 경로보다 작지만, 상기 시준되는 광의 발산(divergence)은 상대적으로 크다. 반면, 광선 b는 상기 광원(20)으로부터 상기 시준 반사경 광선(30)까지 보다 큰 거리를 가지지만 상기 광원(20)에서 조명 영역의 한정된 크기 때문에 보다 작은 발산 광선을 가진다. 상기 반사경들의 실질적인 대칭 때문에, 제2 포물면 반사경과 상기 타깃 사이의 각 광선에 대한 거리가 상기 아크와 상기 제1 포물면 반사경 사 이의 대응하는 거리와 실질상 같도록, 상기 광선 a와 b는 제2 포물면 반사경의 대응하는 위치에서 반사된다. 따라서, 상기 광선 a와 b는 실질상 같은 분산으로, 그 결과로서, 상기 타깃에서 휘도를 보존하는 실질상 같은 확대로 상기 타깃(60) 위에 실질상 초점된다.

상기 시준 반사경(30)과 상기 초점 반사경(40)은 실질상 동일한 모양을 이루는 것이 매우 바람직하다. 예컨대, 상기 시준 반사경(30)과 상기 초점 반사경(40)은 같은 틀을 사용하여 성형될 수 있다. 그렇다면, 상기 초점 반사경(40)이 상기 시준 반사경(30)에서의 결함을 바로잡기 때문에 광 콜렉팅 및 콘덴싱 시스템의 성능이 한층 더 향상된다.

도2-4에 예시된 바와 같이, 당해 기술분야에서 알려진 다양한 렌즈와 필터 같은 하나 이상의 광학 소자(80)가 상기 시준 반사경(30)과 상기 초점 반사경(40)을 가르는 공간 사이에 삽입될 수 있다. 상기 반사경들(30, 40) 사이에서 전송되는 전자기 복사가 시준되기 때문에, 이와 같은 광학 소자들은 단순한 모양과 디자인일 수 있다.

도3에 예시된 바와 같이, 본 발명의 상기 콜렉팅 및 콘덴싱 시스템은 중심(56)이 상기 초점(36) 근처에 위치한 일반적으로 구면 모양인 역반사경(50)의 사용을 더 포함할 수 있다. 상기 역반사경(50)은 상기 시준 반사경(30)에 달리 부딪치지 않았을, 상기 광원(20)에 의해 방사되는 전자기 복사를 포착하도록 배치된다. 특히, 상기 시준 반사경으로부터 떨어진 방향으로 상기 소스에 의해 방사되는 복사가 상기 시준 반사경(30)의 상기 초점(36)을 통한 후 상기 시준 반사경(30) 쪽 으로 상기 역반사경(50)에 의해 후방 반사되도록, 상기 구면 역반사경(50)은 구성되고 배열된다. 상기 시준 반사경(30)에 의하여 반사되는 이 부가적인 복사는 시준되고 상기 소스(20)로부터 상기 시준 반사경(30)에 곧바로 부딪치는 복사에 더해져서 상기 초점 반사경(40) 쪽으로 반사된 상기 시준되는 복사의 강도를 증가시킨다. 결국, 상기 초점 반사경(40)의 상기 초점(46)에서 복사 강도가 증가된다.

만일 필라멘트 램프가 상기 소스(20)로서 사용된다면, 상기 역반사된 복사가 상기 초점(36)에 위치한 불투명 필라멘트에 의해 차단되었을 것이므로, 상기 역반사경(50)은 상기 시준 반사경(30)의 상기 초점(36)을 통한 후방 복사를 집중시키도록 방향을 맞출 수 없다. 이 경우에, 상기 역반사경(50)의 위치는 상기 역반사되는 복사가 상기 초점(36)을 정확히 통과하지 않도록 조정되어야 한다.

본 발명에 따른 콜렉팅 및 콘덴딩 시스템의 다른 배열이 도4에 나타나 있다. 도4의 배열에 있어서, 상기 구면 역반사경(50)은 바람직하게는 상기 시준 반사경(30)의 광축(38)과 초점(36)과 실질상 각각 일치하는 광축(78)과 초점(76)을 가진 회전 포물면을 포함하는 2차 시준 반사경(70)으로 대치된다. 상기 2차 시준 반사경(70)은 바람직하게는 상기 시준 반사경(30)과 실질상 같은 크기 및 모양이다.

평면 반사경(72)은 상기 2차 시준 반사경(70)의 출력 단부에서 상기 광축(78)에 실질상 수직으로 배치된다. 도4에 나타난 바와 같이, 상기 시준 반사경(30)에서 떨어진 곳으로 상기 소스(20)에 의해 방사되는 복사는 상기 2차 반사경(70)에 의해 반사되고 시준된다. 상기 반사경(70)에 의해 반사된 상기 광축(78)에 평행한 상기 시준된 방사는 상기 평면 반사경(72)에서 상기 2차 시준 반사경(70)으로 되반사되고, 그 후에 상기 초점(76, 36)을 통하여 상기 시준 반사경(30) 쪽으로 반사되고, 그로 인해 상기 초점 반사경(40) 쪽으로 반사되는 상기 시준된 복사의 강도를 증가시키게 된다. 이와 같이, 상기 2차 시준 반사경(70)과 상기 평면 반사경(72)은 역반사경으로서 함께 기능을 한다.

도7은 도1에 예시된 바와 같이, 광 엔진(100)으로 연결하는데 적합한 조명 어셈블리(10)의 개략도이다. 그것은 상기 조명 어셈블리(10)를 완성하기 위한 여러 가지 광학 소자를 결합시킨 도2의 광 콜렉팅 및 콘덴싱 시스템을 포함한다. 특히, 광원(20)은 시준 반사경인 상기 제1 포물면 반사경의 초점에 실질상 배치된다. 상기 광원(20)에 의해 방사되는 광은 모아지고, 시준되고, 초점 반사경(40)인 상기 제2 포물면 반사경으로 보내진다. 대부분의 광이 상기 타킷에 의해 모아지도록 상기 타깃(60)은 상기 초점 반사경의 실질상 상기 초점(48)에 입력 단부(62)로 배치된다. 역반사경에 의해 모아진 광이 상기 광원(20)으로 되돌아가서 이미지되고 그 결과 상기 광원(20)의 휘도를 증가시키도록 상기 광원(20)에서 상기 시준 반사경(30)의 맞은 편에 배치된 상기 구면 역반사경(50) 같은 역반사경을 사용함으로써 출력 강도는 더 증가된다.

"조명각"은 상기 광원 및 상기 두 포물면 반사경(30, 40)의 각분포에 의해 결정된다. 램프 축 방향 쪽으로 상기 각은 일반적으로 약 180°이고 다른 방향 쪽으로 상기 각은 일반적으로 약 90°이다. 동시에, 이미지의 길이는 일반적으로 다른 방향보다 상기 램프 축 방향을 따라서 더 길다.

상기 도파관(60)의 이상적인 출력은 디스플레이의 포맷에 따라 높이 대 폭 비가 약 4대 3 또는 약 16대 9인 스크린의 측면 비와 같은 측면 비인 직사각형이다. 상기 각분포는 원형 프로젝션 렌즈(108)가 유효하게 사용될 수 있도록 양 방향에서 실질상 동일하게 이르러야 한다.

상기 타깃(60)의 입력단부에서, 강도 프로파일은 실질상 상기 광원의 모양을 유지하며 일반적으로 직사각형에 가깝다. 도5에 나타난 바와 같이, 결과로서 생기는 광 출력의 점(spot)은 측면 길이가 약 1.6mm와 약 2.7mm 근처로 거의 직사각형이다. 상기 프로젝션 렌즈(108)는 당해 기술분야에서 알려진 바와 같이 일반적으로 약 F/3 렌즈이고, 그것은 개구수(numerical aperture)가 약 0.165에 상당하다. 테이퍼 균질기의 출력에서 양 방향으로 같은 개구수를 실질상 얻고 상기 길이와 상기 개구수 결과의 불변성을 이용하기 위하여, 상기 균질기의 출력 치수는 표준 TV 포맷에 대한 약 1.33의 요망 화면비(aspect ratio)에 매우 가까운 약 1.2의 화면비를 가진 약 11.6mm와 약 9.7mm 근처이다. 정확한 화면비를 실질상 얻기 위해, 입력 치수는 실질상 최대 출력이 얻어질 수 있도록 적절히 변경될 수 있다.

그러므로, 바람직한 실시예에서, 상기 타깃(60)은 도6에 예시된 바와 같이 점증 테이퍼 도파관이다. 상기 테이퍼 균질기는 입력 타깃 표면(62)에서 높이 대 폭 비(h/w)가 출력 타깃 표면(64)에서 높이 대 폭 비(h'/w')와 실질상 같도록 만들어진다. 상기 테이퍼 균질기(60)에서, 방향과 입/출력 영역 모두에서 상기 개구수는 변화된다. 이 균질기(60)는 사용되는 파워의 양에 따라서 수정, 유리 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 일정한 애플리케이션에 관하여, 상기 균질기는 로드(rod)가 저 인덱스 클레딩 물질(lower index cladding materials)로 코팅되는 식으로 또한 클래딩될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 균질자는 내면이 아주 잘 반사하고 측 벽의 모양이 요구되는 변형을 제공하도록 디자인된 속이 빈 광 파이프일 수 있다.

본 발명의 이러한 설명으로 인하여, 같은 것들이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 방식으로 변화될 수 있음이 당해 기술분야의 숙련된 사람들에게 명백할 것이다. 어떠한 그리고 모든 그러한 변경은 하기 청구항의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (23)

1. 영상원; 및 상기 영상원을 조명하는 광학장치;를 포함하는 영상 투영 장치에 있어서,

   상기 광학장치는,

   - 전자기 방사원;

   - 상기 방사원에 의해 방사되는 전자기 방사의 적어도 일부로 조명되는 타깃;

   - 회전 포물면의 적어도 일부를 포함하는 시준반사기로서, 광축 및 상기 광축 상에 제1초점을 가진 제1반사기; 및

   - 회전 포물면의 적어도 일부를 포함하는 초점반사기로서, 광축 및 상기 광축 상에 제2초점을 가진 제2반사기;

   을 포함하며,

   상기 방사원은 전자기 에너지의 일부가 상기 제1반사기의 광축에 평행하게 시준된 광선들로 편성되도록 상기 제1초점에 가깝게 위치되고, 상기 타깃은 상기 제2초점에 가깝게 위치되며, 상기 제2반사기는 상기 시준된 광선들의 일부를 수취하도록 상기 제1반사기에 대하여 위치되고 배향되어 상기 제2반사기가 상기 시준된 광선들을 상기 타깃 쪽으로 향하게 하고, 및

   상기 제1반사기 및 상기 제2반사기는 실질적으로 동일한 크기 및 형상을 가지고 서로에 대해서 실질적으로 광학적으로 대칭적으로 배향되어, 상기 제1반사기의 표면부에 의해 반사된 각 방사선이 상기 제2반사기의 대응하는 표면부에 의해 상기 타깃 쪽으로 반사되는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 방사원에 의해 방사되는 전자기 방사의 일부는 상기 제1반사기에 직접 부딪히고 전자기 방사의 일부는 상기 제1반사기에 직접 부딪히지 않으며, 상기 광학장치는, 시준된 광선들의 플러스 강도를 증가시키기 위해서, 상기 제1반사기에 직접 부딪히지 않는 전자기 방사 부분의 적어도 일부를 상기 제1반사기의 초점을 통하여 상기 제1반사기 쪽으로 반사하도록 구성되고 배열되는 하나 이상의 부가 반사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 부가 반사기는, 상기 제1반사기로부터 멀어지는 방향으로 상기 광원으로부터 방사되는 전자기 방사를 상기 제1반사기의 초점을 통하여 상기 제1반사기 쪽으로 반사하도록, 상기 제1반사기의 맞은 편에 상기 광원 측에 배치된 구형 역반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부가 반사기는 복수의 부가 반사기들을 포함하고, 상기 복수의 부가 반사기는,

   상기 제1반사기의 광축과 실질적으로 일치하는 광축 및 상기 제1반사기의 초점과 실질적으로 일치하는 초점을 가진 회전 포물면의 일부를 포함하는 제2시준반사기로서, 상기 제1반사기로부터 멀어지는 방향으로 상기 방사원으로부터 방사되는 전자기 방사가 상기 제2시준반사기로부터 상기 제2시준반사기의 광축에 실질적으로 평행한 방향으로 반사되는 전자기 방사의 시준된 광선들을 산출하도록 하는 제2시준반사기; 및

   상기 제2시준반사기의 광축에 실질적으로 수직이고 상기 제2시준반사기로부터 반사되는 전자기 방사의 시준된 광선들을 반사하도록 구성되고 배열된 평면반사기로서, 상기 평면반사기로부터 상기 제2시준반사기의 광축에 실질적으로 평행한 방향으로 반사되는 전자기 방사의 시준된 광선들을 산출하여, 상기 평면분사기로부터 반사되는 시준된 광선들이 상기 제2시준반사기에 의해 상기 제1반사기의 초점을 통하여 상기 제1반사기 쪽으로 반사되도록 하는 평면반사기;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 타깃은 단일 광섬유인 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 타깃은 광섬유 다발인 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 타깃은 테이퍼진 균질기인 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 균질기는 다각형 단면을 가진 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 방사원은 크세논, 수은 크세논, 금속 할로겐화물 및 할로겐 램프로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 제1반사기는 가시광만을 반사하는 다중-유전체 코팅으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 제1반사기와 상기 제2반사기 사이에 위치된 투과성 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
12. 제8항에 있어서, 상기 다각형은 직사각형인 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
13. 제8항에 있어서, 상기 다각형은 정사각형인 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 방사원은 180°의 호각(arc angle)을 가지는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
15. 제1항에 있어서, 상기 타깃은 반사성 내면이 있는 중공 파이프를 가진 균질기인 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 중공 파이프는 테이퍼진 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
17. 아크 램프로부터 광을 수집하기 위한 시스템에 있어서,

    광축;

    상기 광축과 실질적으로 동일 선상인 축을 가지며 상기 광축에 대하여 180°보다 작은 호각에 대하는 원형 단면을 가진 제1포물면;

    상기 제1포물면의 초점에 실질적으로 배치된 아크 램프;

    상기 제1포물면과 실질적으로 동일한 치수를 가진 제2포물면으로서, 상기 광축과 실질적으로 동일 선상인 축을 갖고 상기 제1포물면에 대하여 실질적으로 대칭적으로 배치되어, 제1포물면의 표면부에 의해 반사된 각 방사선이 제2포물면의 대응하는 표면부에 의해 반사되는 제2포물면; 및

    광의 최대 수집을 위해 상기 제2포물면의 초점에 실질적으로 배치된 균질기;

    를 포함하는 광 수집 시스템.
18. 제17항에 있어서, 상기 광축을 사이에 두고 상기 제1포물면에 실질적으로 대향하여 배치된 구형 역반사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 수집 시스템.
19. 제17항에 있어서, 상기 아크 램프는 크세논 램프, 금속 할로겐화물 램프 및 크세논 수은 램프로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광 수집 시스템.
20. 제17항에 있어서, 상기 균질기는 단일 광섬유인 것을 특징으로 하는 광 수집 시스템.
21. 제17항에 있어서, 상기 균질기는 광섬유 다발인 것을 특징으로 하는 광 수집 시스템.
22. 제17항에 있어서, 상기 균질기는 직사각형인 것을 특징으로 하는 광 수집 시스템.
23. 제17항에 있어서, 상기 균질기는 테이퍼진 것을 특징으로 하는 광 수집 시스템.

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