KR100867950B1

KR100867950B1 - 조명 광학 장치

Info

Publication number: KR100867950B1
Application number: KR1020070040114A
Authority: KR
Inventors: 슈쉬킨 아이하르; 김천기; 오관영
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-11-11
Also published as: KR20080095523A; US20080266862A1

Abstract

광원으로부터 출사되는 빔 확산각(beam divergence angle)을 크게 하는 조명 광학 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 조명 광학 장치는, 빔 출력점으로부터 소정 방향으로 빔을 출력하는 광원; 광원에서 출력되는 빔의 진행 방향에 배치되는 볼 렌즈; 및 볼 렌즈를 통과한 빔을 소정 위치에 집광하는 집광 렌즈군을 포함한다. 볼 렌즈를 더 구비함으로써 빔 확산각을 크게 하여 조명 광학 장치의 크기 및 부피를 크게 줄일 수 있다.

조명 광학, 빔, 확산, 볼 렌즈

Description

조명 광학 장치{Illumination optical apparatus}

도 1은 종래 조명 광학 장치의 렌즈 구성을 나타낸 평면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원과 볼 렌즈의 구성을 나타낸 도면.

도 3은 볼 렌즈에 입사된 입사빔과 출사빔의 관계를 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼 렌즈를 포함하는 조명 광학 장치의 구성을 나타낸 평면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 400 : 조명 광학 장치

110 : 광원

120, 130, 140, 150 : 렌즈

160 : 광변조기

200 : 볼 렌즈

본 발명은 조명 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광원으로부터 출사되는 빔 확산각(beam divergence angle)을 크게 하는 조명 광학 장치에 관한 것이다.

최근 디스플레이 기술이 발달함에 따라 TV, 모니터 등의 대형 디스플레이 장치는 물론 휴대 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player) 등의 소형 디스플레이 장치에 대한 수요가 날로 증가하고 있다. 특히, 투사 방식을 이용한 디스플레이 장치는 예를 들어 CRT TV, LCD TV, PDP TV 등의 다른 대형 디스플레이 장치에 비해 대형 화상의 구현에 보다 적합할 뿐만 아니라 가격 경쟁력 면에서도 장점이 있어 수요자들에게 각광을 받고 있다.

그러나, 종래의 투사 방식의 디스플레이 장치는 화상의 구현을 위해 사용되는 부품(예를 들어, 광원, 미러, 광학 렌즈, 투사 렌즈 등)의 개수가 많고 복잡할 뿐만 아니라, 부품간에 소정의 이격 거리 또는 투사 거리가 확보되어야 하는 이유로 소형 디스플레이 장치에는 적용하기가 어려운 문제점이 있었다. 즉, 종래 기술에 의하면 투사 방식을 이용한 디스플레이 장치의 구현에 있어 소형화에 일정한 한계가 있는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 볼 렌즈를 더 구비함으로써 크기 및 부피를 크게 줄일 수 있는 조명 광학 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 대형 디스플레이 장치는 물론 휴대폰, PMP 등의 소형 디지털 장치에도 이용 가능한 조명 광학 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 볼 렌즈를 구비하는 조명 광학 장치가 제공된다.

일 실시예에 따른 조명 광학 장치는, 빔 출력점으로부터 소정 방향으로 빔을 출력하는 광원; 광원에서 출력되는 빔의 진행 방향에 배치되는 볼 렌즈; 및 볼 렌즈를 통과한 빔을 소정 위치에 집광하는 집광 렌즈군을 포함한다.

여기서, 광원은 레이저 다이오드(laser diode)일 수 있다.

또한, 볼 렌즈는 배치되는 위치에서 볼 렌즈로 입사되는 빔의 직경보다 직경이 클 수 있다.

그리고 집광 렌즈군은, 양의 굴절력을 가지고, 볼 렌즈를 통과한 빔을 입력받아 확산을 저지하는 제1 렌즈; 음의 굴절력을 가지고, 제1 렌즈를 통과한 빔을 확산시키는 제2 렌즈; 양의 굴절력을 가지고, 제2 렌즈를 통과한 빔의 확산을 저지하는 제3 렌즈; 및 양의 굴절력을 가지고 소정 위치에 제3 렌즈를 통과한 빔을 집광시키는 제4 렌즈를 포함할 수 있다. 광변조기는 입력된 영상 신호에 상응하여 빔을 변조한 1차원 선형 영상을 출력하며, 빔은 1차원 선형 영상에 수직한 평면 상에 서 확산되거나 확산이 저지될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투사 렌즈를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서에서 어떤 구성요소로부터 다른 구성요소에 "조사된다" 거나 "투사된다" 등으로 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접 조사되거나 또는 직접 투사될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소를 거쳐 조사되거나 또는 투사될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 어떤 구성요소로부터 다른 구성요소에 "직접 조사된다" 거나 "직접 투사된다" 라고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소를 거치지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래 조명 광학 장치의 렌즈 구성을 나타낸 평면도이다.

조명 광학 장치(100)는 광원(110), 제1 내지 제4 렌즈(120, 130, 140 및 150)를 포함한다.

광원(110)은 빔 출력점(155)(A)에서 직선 빔을 조사하는 레이저 다이오드(laser diode)일 수 있다.

제1 렌즈(120)는 양의 굴절력을 가지며, 광원(110)으로부터 조사된 빔을 통과시킨다. 이하에서, 렌즈가 양의 굴절력을 갖는다는 것은 렌즈로 들어온 빔의 발산 각도가 렌즈를 통과하면서 축소됨을 의미하며, 렌즈가 음의 굴절력을 갖는다는 것은 렌즈로 들어온 빔의 발산 각도가 렌즈를 통과하면서 확대됨을 의미한다. 즉, 양의 굴절력을 갖는 렌즈(예를 들어, 볼록 렌즈 등)는 빔의 집광에 이용되며, 음의 굴절력을 갖는 렌즈(예를 들어, 오목 렌즈 등)는 빔의 확산에 이용될 수 있다.

제1 렌즈(120)는 광원(110)의 빔 출력점(155)으로부터 확산된 빔이 평면도 상에서 더 이상 확산이 이루어지지 않도록 한다.

제2 렌즈(130)는 음의 굴절력을 가지며, 제1 렌즈(120)를 통과한 빔을 통과시킨다. 제2 렌즈(130)는 제1 렌즈(120)를 통과하여 더 이상 확산되지 않던 빔을 확산시킨다.

제3 렌즈(140)는 양의 굴절력을 가지며, 제2 렌즈(130)를 통과한 빔이 평면도 상에서 더 이상 확산이 이루어지지 않도록 한다.

제4 렌즈(150)는 양의 굴절력을 가지며, 제3 렌즈(140)를 통과한 빔이 평면 도 상에서 소정 위치의 광변조기(160) 상에 집광되도록 한다.

광변조기(160)는 제1 렌즈(120) 내지 제4 렌즈(150)를 통과하여 집광된 빔의 휘도를 입력된 영상 신호에 상응하여 변조시킨다.

광변조기(160)는 광원(110)으로부터 조사된 빔(색광)을 입력받아 이를 소정의 광 강도 정보에 상응하여 변조시킨 회절광(즉, 변조광)을 생성하는 광학 소자이며, 그 형태, 종류 등을 불문하고 아무런 제한 없이 본 발명에 적용될 수 있다. 여기서, 광 강도 정보는 스크린 상에 실제 구현될 컬러 또는 흑백 영상에 대한 각 영상 정보를 의미한다. 다만, 이러한 광변조기(160)는 특별한 설명이 없더라도 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 공지의 광학 소자에 해당하는바, 본 명세서에서는 그 구조 또는 광 변조 원리 등에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.

광변조기(160)는 영상 신호에 상응하여 입사된 빔을 변조하고, 1차원 선형 영상을 출력한다. 1차원 선형 영상은 이후 스캐너 및 투사 렌즈 등을 통해 스크린 상에 투사 및 스캐닝되어 2차원 영상을 표시하게 된다.

제1 렌즈(120) 내지 제4 렌즈(150)에 의한 빔의 확산 또는 확산의 저지는 1차원 선형 영상에 대하여 수직인 평면 상에서 이루어진다. 도면을 기준으로 할 때 1차원 선형 영상은 도면에 수직한 방향으로 형성되고, 빔의 확산 또는 확산 저지는 도면과 평행한 평면 상에서 이루어진다.

본 발명에서 제1 렌즈(120) 내지 제4 렌즈(150)의 구성은 광원(110)으로부터 확산되는 빔을 소정 위치의 광변조기(160) 상에 집광되도록 하는 다양한 방법이 적용될 수 있음을 당업자는 이해해야 할 것이다.

조명 광학 장치(100)에서 광원(110)으로부터 광변조기(160)까지의 전체적인 길이는 L1이며, 광원(110)의 빔 출력점(155)으로부터 확산되는 빔이 제1 렌즈(120)까지 도달하기 위한 길이는 L2이다.

즉, 광원(110)의 빔 출력점(155)으로부터의 빔의 확산이 제1 렌즈(120)의 크기에 상응할 때까지 최소 L2라는 거리를 필요로 하게 된다. 이는 광원(110)으로부터 조사되는 빔의 확산각(divergence angle)이 결정되어 있기 때문이다.

본 발명은 광원(110)으로부터 조사되는 빔의 확산각을 크게 확장하여 광원(110)으로부터 제1 렌즈(120)까지의 거리를 축소시킴으로써 조명 광학 장치(100) 전체 크기를 줄이고자 한다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원과 볼 렌즈의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 볼 렌즈에 입사된 입사빔과 출사빔의 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼 렌즈를 포함하는 조명 광학 장치의 구성을 나타낸 평면도이다.

볼 렌즈(200)는 구(sphere) 또는 볼(ball) 형상을 가지는 렌즈이다. 종래 광섬유(optical fiber) 또는 레이저 다이오드의 출력을 시준(collimate)하기 위해 단독으로 사용되거나, 광섬유 대 광섬유(fiber to fiber), 광섬유 대 레이저 다이오드, 광섬유 대 검출기(detector) 커플링(coupling)을 위해 쌍(pair)으로 사용되었다.

본 발명의 실시예에서 볼 렌즈(200)는 광원(110)으로부터 조사되는 빔의 확 산각을 크게 하기 위하여 광원(110)의 출력단에 배치된다.

예를 들어, 광원(110)이 녹색 레이저 다이오드의 경우를 설명한다. 녹색 레이저 다이오드는 출력되는 빔 직경이 50~200 ㎛ 정도이고, 빔의 확산각이 5~10 mR 정도이다. 빔의 확산각이 5~10 mR 정도인 경우 제1 렌즈(120)의 크기에 상응하도록 녹색 레이저 다이오드의 출력 빔이 확산되기 위해서는 상당한 길이를 필요로 하며, 이것이 조명 광학 장치의 소형화를 방해한다.

따라서, 볼 렌즈(200)를 이용하여 빔의 확산각을 증가시킴으로써 제1 렌즈(120)의 크기에 상응하도록 출력 빔을 확산시키는 데 요구되는 광원(110)과 제1 렌즈(120) 사이의 길이를 줄여 조명 광학 장치의 소형화가 가능하도록 한다.

렌즈의 유효 초점 길이(EFL: effective focal length)는 하기의 수학식 1에 따른다.

여기서, f는 유효 초점 길이, n은 굴절 계수(index of refraction), r₁과 r₂는 렌즈의 전면 곡률 반경 및 후면 곡률 반경, t는 렌즈 두께를 나타낸다.

볼 렌즈(200)의 경우

이므로, 유효 초점 길이는 하기의 수학식 2와 같다.

여기서, D는 볼 렌즈의 직경(diameter)이며, 볼 렌즈(200)의 유효 초점 길이는 볼 렌즈의 직경(D) 및 굴절 계수(n)의 2가지 변수에 의해 간단히 산출된다.

유효 초점 길이는 렌즈 중심으로부터 측정될 수 있으며, 후방 초점 길이(BFL: back focal length)는 하기의 수학식 3과 같이 쉽게 계산된다.

볼 렌즈의 개구수(numerical aperture)(NA')는 볼 렌즈의 초점 길이와 빔 출력 직경(d)에 종속적이다(수학식 4 참조). 개구수는 광학계가 받아들이거나 방출하는 빔의 각도 범위에 관한 특성을 나타낸다. 일반적으로 초점 길이에 대한 렌즈 구경의 지름을 의미한다.

볼 렌즈 고유의 구면 수차(spherical aberration)는 d/D가 증가함에 따라 줄어든다. 그리고 볼 렌즈로 인한 빔 확산각의 증가비(M)는 광원(110)에서의 빔 출력점(A)에서 볼 렌즈의 구면까지의 거리(s)와, 빔 교차점(A')에서 볼 렌즈의 구면까 지의 거리(s')의 비로 나타난다.

여기서, NA는 광원(110)에서의 빔 확산각에 상응하는 빔 출력점(A)에서의 개구수이고, NA'는 볼 렌즈(200)를 통과한 빔이 교차하는 빔 교차점(A')에서의 개구수이다.

예를 들어, 볼 렌즈(200)의 굴절 계수(n)가 1.859(LaSFN9 재료 이용)이고, 반경(r)이 0.5mm, 직경(D)이 1mm, 광원(110)에서의 빔 출력점(A)과 볼 렌즈(200)의 구면까지의 거리(s)가 7mm, 빔 출력점(A)에서의 개구수(NA)가 4.75mR이라 가정한다.

이 경우 상기 수학식 1 내지 4를 적용하면 하기의 수학식 5와 같다.

즉, 상기 수학식 5를 참조하면, 볼 렌즈(200)를 광원(110)의 출력단에 배치함으로써 빔 확산각에 비례하는 개구수가 12배까지 확대됨을 확인할 수 있다. 개구수가 확대됨으로 인해 광원(110)으로부터 제1 렌즈(120)까지 요구되는 거리는 줄어든다.

도 4를 참조하면, 볼 렌즈(200)를 포함하는 조명 광학 장치(400)의 광원(110)(보다 정확하게는 빔 출력점(155))으로부터 제1 렌즈(120)까지의 거리가 L2'가 되며, 이는 도 1에 도시된 종래 조명 광학 장치(100)의 L2보다 작은 값이다.

제1 렌즈(120)로부터 광변조기(160)까지의 거리는 도 1에 도시된 종래 조명 광학 장치(100)와 도 4에 도시된 조명 광학 장치(400)가 동일하다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 조명 광학 장치(400)의 전체 길이 L1'가 종래 조명 광학 장치(100)의 전체 길이 L1보다 작은 값을 가지게 된다.

본 발명에서 볼 렌즈(200)는 크기에 따라 다양한 위치에 배치될 수 있다. 볼 렌즈(200)가 배치되는 위치에서의 볼 렌즈(200)로 입사되는 빔의 직경은 볼 렌즈(200)의 직경보다 작을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 조명 광학 장치는 볼 렌즈를 더 구비함으로써 저렴한 비용으로 빔 출력점에서의 낮은 빔 확산각을 효과적으로 확대시키고, 조명 광학 장치의 전체 길이를 감소시켜 조명 광학 장치 및 이를 이용하는 디스플레이 장치의 콤팩트화가 가능하다.

또한, 본 발명의 조명 광학 장치는 휴대 단말기, PDA, PMP 등의 소형의 디스플레이 장치에도 적용할 수 있는 이점이 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조명 광학 장치에 의하면 볼 렌즈를 더 구비함으로써 크기 및 부피를 크게 줄일 수 있다.

또한, 대형 디스플레이 장치는 물론 휴대폰, PMP 등의 소형 디지털 장치에도 이용 가능한 효과가 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변 경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims

빔 출력점으로부터 소정 방향으로 빔을 출력하는 광원과, 상기 광원에서 출력되는 빔의 진행 방향에 배치되는 볼 렌즈와, 상기 볼 렌즈를 통과한 빔을 소정 위치에 집광하는 집광 렌즈군을 포함하되,

상기 집광 렌즈군은,

양의 굴절력을 가지고, 상기 볼 렌즈를 통과한 빔을 입력받아 확산을 저지하는 제1 렌즈;

음의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈를 통과한 빔을 확산시키는 제2 렌즈;

양의 굴절력을 가지고, 상기 제2 렌즈를 통과한 빔의 확산을 저지하는 제3 렌즈; 및

양의 굴절력을 가지고 상기 소정 위치에 상기 제3 렌즈를 통과한 빔을 집광시키는 제4 렌즈를 포함하는 조명 광학 장치.
제1항에 있어서,

상기 광원은 레이저 다이오드(laser diode)인 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제1항에 있어서,

상기 볼 렌즈는 배치되는 위치에서 상기 볼 렌즈로 입사되는 빔의 직경보다 직경이 큰 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 집광 렌즈군을 거친 빔의 집광 위치에는 입력된 영상 신호에 상응하여 빔을 변조한 1차원 선형 영상을 출력하는 광변조기가 위치하고,

상기 빔은 상기 1차원 선형 영상에 수직한 평면 상에서 확산되거나 확산이 저지되는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.