KR101170420B1 - 투사 광학 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 화상 품질을 제공하며 사이즈를 감소시킬 수 있는 투사 광학 장치에 관한 것이다. 상기 투사 광학 장치는 광 밸브; 및 투과형 굴절 요소(transmissive-reflective element)를 갖는 제 1 광학계(5)와, 반사형 굴절 요소(reflective-refractive element)를 갖는 제 2 광학계(3')를 구비한 투사 광학계;를 포함한다. 상기 광 밸브에 의해 형성된 화상은 상기 투명 광학계에 의해 투사면(4) 상에 투사된다. 상기 제 1 광학계(5) 내의 광축은 수직방향 및 수평방향으로 절곡된다. 상기 제 1 광학계의 제 1 그룹(5A)은 하한값이 상기 제 2 광학계(3')의 하측 에지에 의해 형성되는 공간(사공간) 내에 구속되므로, 장치의 안길이 치수를 감소시킨다.

Description

투사 광학 장치{PROJECTION OPTICAL APPARATUS}

본 발명은 (투사 화상 장치를 구비한) 투사 광학 장치에 관한 것으로서, 구체적으로 경사형 투사 광학 장치에 관한 것이다.

투사 타입의 화상 표시 장치는, 문자 또는 그림의 정지 화상(still image) 등의 원화상(original image), 혹은 이동 화상이 작은 광 밸브 상에 2차원으로 형성된 다음, 투사 광학계에 의해 확대 및 투사하는 것으로 공지되어 있다. 광 밸브("공간 광변조기"로도 부름)는 투과형 액정 표시장치(LCD) 패널, DLP(Digital Light Processing) 등의 기술, 및 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 기술에 사용된다.

DLP가 시장에서 가장 지배적인 기술이지만, LCoS 패널은 우수한 명암 대비 특성 및 투과성 LCD 패널보다 높은 광학 이용 효율로 인해 그리고 최근에 증가하는 픽셀 수를 수용하는 성능으로 인해, 그 시장 점유율이 증가되고 있다.

투사 타입의 화상 표시 장치는 전방 투사 타입과 후방 투사 타입을 구비한다. 전방 투사 타입에서, 광 밸브 상의 화상은 상기 장치로부터 멀리 배치된 투사면(예컨대, 반사 스크린) 상에 확대 및 투사되어 반사된 광이 관찰될 수 있다. 후방 투사 타입에서는, 투사면으로서 투과형 스크린이 상기 장치 내에 제공되고, 광 밸브 상의 화상은 후방으로부터 스크린 상에 확대 및 투사되어 스크린의 전방으로부터 투사된 화상이 관찰될 수 있다.

양자의 화상 표시 장치에서, 장치의 크기를 줄이는 것이 바람직하다. 또한, 상기 장치와 투사면 사이의 거리를 줄임으로써, 최소의 공간 내에서 큰 스크린 사이즈를 구현하는 것이 가능해진다.

하기의 특허문헌 1은, 광 밸브와 스크린 사이에서 광로가 2회 절곡(fold)되어서, 광 밸브 상에 수직방향으로 보다 긴 원화상이 스크린 상에 수평방향으로 보다 길게 투사되는 후방 투사 장치를 개시하고 있다.

본 기술에서, 기부면에 수직한 방향으로 광로를 편향시키기 위해, 투사 렌즈계의 광로 내에 배치된 제 1 광 편향 유닛으로서 평면 미러가 제공된다. 기부에 평행한 방향으로 광로를 편향시키기 위해, 투사 렌즈계와 스크린 표면 사이의 광로에 제 2 광 편향 유닛이 제공된다.

특허문헌 2는 감소된 투사 거리를 갖는 투사 광학 장치(경사형 투사 광학 장치)를 개시한다. 본 기술에서, 광 밸브 상의 원화상의 중간 화상이 투과형 굴절계에 의해 발생된다. 중간 화상은 오목 미러에 의해 스크린 상에 다시 포커싱된다.

특허문헌 3은 광축을 절곡하기 위해, 렌즈 그룹으로부터 출사되는 광 플럭스가 미러에 의해 편향되는 것을 개시한다.

구체적으로, 광학계를 통과한 후에, 패널 상의 화상을 위한 광선은 미러에 의해 만곡되고, 오목 미러에 도달하기 전에 또 다른 미러에 의해 더욱 만곡되며, 이에 의해 화상이 투사면 상에 투사되기 전에 또 다른 미러에 의해 광선이 만곡 및 추가적으로 만곡된다.

특허문헌 1: 일본특허공개공보 제2004-347872호

특허문헌 2: 일본특허공개공보 제2006-235516호

특허문헌 3: 국제특허공보 WO2006-058884호

특허문헌 1의 기술에서, 투사 렌즈계는 제 1 광 편향 유닛으로 인해 기부판에 대해 수직방향으로 연장된다. 또한, 투사 렌즈계와 스크린 표면 사이의 광로에 제 2 광 편향 유닛이 배치된다.

이러한 구성에서, 기부면으로부터의 높이가 크기 때문에, 상기 장치는 전방 투사 목적을 위해 채택된다면 증가된 높이를 가질 것이다.

특허문헌 2에 따른 광학계에서, 전방 투사 구성에 채택된 경우에 상하 방향으로의 장치의 전체 두께는 가장 큰 오목 미러의 사이즈(높이)에 따라 명확하게 다르다. 더욱이, 투과형 굴절 광학계가 전체적으로 오목 미러 상에 배치되기 때문에, 장치의 높이는 더욱더 증가된다.

이러한 문제점은 광학계가 후방 투사 적용에 사용되며 후방 투사 장치의 케이싱 내에 포함되는 경우에 현저하거나 심각해지지 않는다. 그러나, 전방 투사 장치에 적용된 경우에, 장치의 사이즈는 훨씬 더 심해진다.

또한, 투과형 굴절 광학계 아래의 공간은 오목 미러의 하측 에지로 연장되는 사공간(dead space)을 제공한다. 광학계가 투사방향으로 선형 배치되기 때문에, 투사방향으로의 장치의 길이, 즉 장치의 안길이 치수(depth)가 커지고, 이에 따라 콤팩트한 투사 장치를 구현하기가 어려워진다(그 이유는, 광학계가 투사된 화상의 후방에 또 배치될 필요가 있기 때문임).

특허문헌 3의 기술에서, 광축이 미러에 의해 하측으로 만곡되지만, 패널(공간 광변조기)이 오목 미러 아래에 위치되기 때문에, 세트(set)의 높이가 증가된다.

더욱이, 투사 렌즈계와 오목 미러 사이에서 광로가 만곡되기 때문에, 후술하는 이유로 인해 광로의 편향을 위해 요구되는 요소들의 사이즈가 증가한다. 투사 광 플럭스가 투사 렌즈계로부터 오목 미러로 이동함에 따라 투사 광 플럭스의 위치는 투사 렌즈계의 광축으로부터 떨어지므로, 광로 편향부 내의 요소들의 셋팅이 어렵게 된다.

광로를 절곡하는 요소들을 개재하기 위해, 투사 렌즈계와 오목 미러 사이의 거리는 증가될 필요가 있다. 광로를 도시한 특허문헌 2의 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 투사 렌즈로부터 오목 미러로의 투사 광 플럭스는 시야각이 증가함에 따라 렌즈계의 광축에 대해 더욱더 큰 각도를 갖는다. 그 결과, 이러한 광 플럭스를 수용하는 오목 미러의 사이즈는 렌즈계로부터의 거리가 증가함에 따라 증가하므로, 오목 미러의 비용 또한 증가하게 된다.

특허문헌 3의 기술에서, 투사 렌즈계와 오목 미러 사이에 중간 화상이 위치되고, 중간 화상 근방에서 광로가 만곡되며, 광 플럭스가 집중되는 위치에 절곡 미러가 배치된다. 그 결과, 투사된 화상의 품질은 절곡 미러의 형상에서의 약간의 에러도 받게 되므로, 열화되는 경향이 있다.

본 발명자에 의한 분석은 특허문헌 2 및 3에서와 같이 중간 화상을 형성하는 타입의 광학계가 투사 렌즈계로부터 출사하는 광선에 특정한 특성이 있다는 점을 나타낸다.

구체적으로, 큰 시야각을 갖는 광선(즉, 물체의 큰 높이로부터 출사하는 광선)이 최종 렌즈의 에지에 근접한 지점을 통과하므로, 큰 출력 각도를 갖는 오목 미러로 안내된다.

이러한 특성으로 인해, 투사 렌즈계 내에 근접하게 배치된 최종 렌즈(들)의 사이즈는 광로 공간이 절곡을 위해 연장될 때 증가되는 경향이 있다.

또한, 광 플럭스가 오목 미러 상에 일어나기 전에 렌즈계로부터의 광 플럭스가 펴지기 때문에, 오목 미러의 사이즈 또한 증가하는 경향이 있다.

특허문헌 1 내지 3에서, 투사 렌즈계로부터 큰 출력 각도로 출사하는 광선의 광로는 절곡 미러에 의해 만곡된다.

이와 같이 광축의 절곡은 렌즈의 사이즈를 증가시키고, 장치 크기의 감소를 방지한다.

상술한 바와 같이 광 플럭스가 포커싱되는 위치에 절곡 미러가 배치되면, 투사된 화상의 품질은 절곡 미러의 형상에서의 약간의 에러도 받게 되므로, 열화되는 경향이 있다.

이에 따라, 전술한 타입의 투사 광학 장치에서, 장치 크기의 감소는 절곡 미러와 함께 광축을 절곡함으로써 단순히 성취될 수 없다. 따라서, 화상 품질이 떨어지는 것을 방지하는 동시에, 장치의 사이즈를 줄이는 것이 어렵다.

예컨대, 특허문헌 3의 도 9에서 광 플럭스의 스프래드(spread)가 렌즈에 의해 방지되는 광축을 절곡하는 절곡 미러(folding mirror)를 도시하지만, 투사된 화상의 품질에 대한 전술한 문제점은 절곡 미러의 형상에서의 약간의 에러도 받게 되므로, 여전히 열화되는 경향이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래기술의 하나 이상의 전술한 문제점을 제거하는 투사 광학 장치를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 성취하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 큰 출력 각도를 갖는 투사 렌즈계로부터 출사하는 광 빔을 절곡하는 대신에, 광 빔이 공간 광변조기에 보다 근접한 영역에서 절곡하며, 광 빔은 스프래드되지 않거나 또는 스프래드되지 않도록 설계된다.

광 빔이 스프래드되는 것을 방지하기 위해, 절곡 공간에 관해 물체(즉, 공간 광변조기)에 보다 근접하게 배치된 렌즈 그룹은 포지티브 파워(positive power)를 구비할 수 있다. 파워가 클수록, 더 많은 광 빔이 수렴 제어될 수 있다. 축상색수차(axial chromatic aberration) 및 광학면 각도 에러(optical face angle error) 등의 수차가 균형되어야 한다.

절곡 공간에 관해 공간 광변조기에 보다 근접하게 배치된 렌즈 그룹으로부터 출사하는 광 빔이 스프래드되지 않도록 광학계를 설계함으로써, 절곡 공간 내의 광 빔의 스프래드(즉, 요소들의 사이즈 증가)가 방지될 수 있다.

중간 화상을 형성하는 절곡 공간 내에서의 광 플럭스의 집중에 관한 조건이 없기 때문에, 절곡을 위해 제공된 광로 편향 유닛(예컨대, 절곡 미러)의 형상에 대한 에러로 인해 화상 품질 열화를 제어 가능하다.

일 실시예에서, 본 발명은, 공간 광변조기(spatial light modulator); 및 투과형 굴절 요소(transmissive-reflective element)를 갖는 제 1 광학계와, 반사형 굴절 요소(reflective-refractive element)를 갖는 제 2 광학계를 구비한 투사 광학계;를 포함하는 투사 광학 장치를 제공한다. 상기 공간 광변조기에 의해 형성된 화상은 상기 투명 광학계에 의해 투사면 상에 투사된다. 상기 공간 광변조기에 의해 형성된 상기 화상의 중심과 상기 투사면 사이의 광로에서, 상기 제 2 광학계로부터 상기 투사면에 이르는 광로를 따라 이동하는 광 빔은 상기 투사면의 법선에 대해 경사지게 투사된다. 상기 광 빔의 이동방향의 벡터가 벡터(A)라면, 상기 투사면에 실질적으로 평행한 상기 벡터(A)의 투사된 성분은 상측 방향으로 형성되고, 상기 상측 방향의 반대방향은 하측 방향으로 형성된다. 상기 제 1 광학계의 광축은, 상기 공간 광변조기에 보다 근접한 상기 제 1 광학계의 영역에서, 상측 또는 하측 방향으로의 벡터를 구비하는 방향으로 광로 편향 유닛에 의해 절곡된다.

바람직한 실시예에서, 상기 상측 또는 하측 방향에 수직한 방향을 수평방향으로 규정하면, 상기 제 1 광학계의 광축은 상기 상측 또는 하측 방향으로의 상기 벡터를 구비한 방향과 더불어, 상기 수평방향으로의 벡터를 구비한 방향으로 절곡된다.

다른 바람직한 실시예에서, 상기 제 1 광학계 내의 절곡 위치보다 상기 공간 광변조기에 근접하게 배치된 렌즈 그룹은 포지티브(positive)로 구성된 파워를 가지며, 상기 렌즈 그룹에 의해 출사되는 광 플럭스는 스프래드(spread)되지 않거나 또는 실질적으로 평행하다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 제 1 광학계 내의 절곡 위치는, 상기 절곡 위치보다 상기 공간 광변조기에 근접하게 배치된 렌즈 그룹에 의해 출사되는 광 플럭스가 스프래드되지 않거나 또는 실질적으로 평행하게 한다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 제 2 광학계는 포지티브 파워를 갖는 반사형 굴절 요소를 구비하고, 상기 제 1 광학계와 상기 제 2 광학계 사이에 중간 화상을 생성한다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 포지티브 파워를 갖는 상기 반사형 굴절 요소는 상기 투사 광학계 내에서 가능 큰 효율의 직경을 갖는다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 제 1 광학계에서 상기 상측 또는 하측 방향으로의 상기 벡터를 구비한 방향으로의 절곡은 상기 반사형 굴절 요소의 하측 에지를 향하며, 상기 제 1 광학계 내의 상기 절곡 위치보다 상기 공간 광변조기에 근접하게 배치된 렌즈 그룹은 상기 반사형 굴절 요소의 하측 에지에 의해 하한값이 형성되는 공간 내에 배치된다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 제 1 광학계 내의 상기 공간 광변조기에 보다 근접하게 배치된 렌즈 그룹은 광축(L1)을 가지며, 상기 광축(L1)은, 상기 광축(L1) 상에 배치된 제 1 광로 편향 유닛에 의해 광축(L2) 내로 절곡되고, 상기 광축(L2)은, 상기 광축(L2) 상에 배치된 제 2 광로 편향 유닛에 의해 광축(L3) 내로 절곡되며, 상기 광축(L1, L2, L3)은 상기 제 1 광학계에서 동일한 평면에 있지 않는다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 제 1 광학계는, 상기 제 1 광학계 내의 상기 제 2 광학계에 보다 근접하게 배치된 렌즈 그룹에 제공된 포커싱 조절 기구를 구비한다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 광로 편향 유닛은 평면 미러를 구비한다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 장치는 복수의 광로 편향 유닛을 포함하며, 1개의 광축 상에 배치된 상기 광로 편향 유닛 중 2개는 일체 형성되거나 또는 연속적으로 구성된다.

바람직한 실시예에서, 상기 광로 편향 유닛은 2개의 광로 편향 유닛을 구비한 프리즘을 포함하며, 상기 광로 편향 유닛 중 하나의 편향면/반사면에 대한 법선과, 상기 광로 편향 유닛 중 다른 것의 편향면/반사면에 대한 법선은 서로 수직한다.

바람직한 실시예에서, 상기 공간 광변조기를 위한 제어 기판은 상기 투사면의 좌측 또는 우측 방향에 그리고 상기 제 1 광학계 내의 상기 제 2 광학계에 보다 근접하게 배치된 렌즈 그룹의 광축을 구비하는 평면에 실질적으로 평행하게 배치된다.

바람직한 실시예에서, 상기 광축(L1, L2, L3)에 의해 둘러싸인 공간 영역 내에 조명 광학계(illumination optical system)가 배치된다.

바람직한 실시예에서, 상기 공간 광변조기는 상기 제 2 광학계의 최저측 에지와 동일한 높이로 배치되거나 또는 그 위에 배치된다.

바람직한 실시예에서, 상기 제 1 광학계에 대해 이동가능한 상기 제 2 광학계를 지지하는 가동형 기구를 더 포함하며, 비투사 시에는, 상기 장치의 안길이 치수를 감소시키기 위해, 상기 제 2 광학계는 상기 제 1 광학계 쪽으로 이동가능하다.

바람직한 실시예에서, 상기 제 2 광학계와 상기 투사면 사이의 광로 내에 개구부(opening portion) 및 광 차단부(light blocking portion)가 제공되며, 화상 투사시에, 상기 제 2 광학계로부터 반사된 광은 수렴하는 방식으로 상기 개구부를 통과한다.

본 발명의 상기한 관점, 다른 특징 및 이점은 하기의 설명, 청구범위 및 도면으로부터 더욱 잘 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 광학 장치의 측면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 광학 장치의 주요부에 대한 확대도,
도 3은 투사 광학 장치 내의 제 1 광학계의 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 광축의 절곡 상태를 도시한 개략도,
도 5a는 제 1 광학계 내의 제 1 렌즈 그룹을 따르는 투사 광학 장치의 측면도,
도 5b는 투사 광학 장치의 제 1 광학계와 제 2 광학계의 평면도,
도 6의 (A)는 포커싱 조절 프로세스를 도시한 측면도,
도 6의 (B)는 포커싱 조절 프로세스를 도시한 다른 측면도,
도 6의 (C)는 포커싱 조절 프로세스를 도시한 또 다른 측면도,
도 7은 종래기술에 따른 투사 광학 장치를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광로 편향 유닛의 사시도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공간 광변조기와 제어 기판의 구성을 도시한 사시도,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에서의 요소들의 구성에 대한 평면도,
도 11a는 화상이 투사될 때의 본 발명의 다른 실시예에 따른 가동형 기구를 도시한 도면,
도 11b는 화상이 투사되지 않을 때의 본 발명의 다른 실시예에 따른 가동형 기구를 도시한 도면,
도 12a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 개구 구조, 광 차단 구조 및 가동형 기구를 도시한 측면도,
도 12b는 도 12a의 실시예의 다른 측면도로서, 가동형 기구가 장치의 사이즈를 줄이도록 이동되는 도면.

도 7은 종래기술에 따른 전방 투사 장치의 측면도이다. 공간 광변조기인 광 밸브(1) 상에 형성된 원화상은 투사면(4) 상의 제 1 광학계(2)와 제 2 광학계(3)로 이루어진 투사 광학계에 의해 확대 및 투사된다. 도 7의 예에서, 제 1 광학계(2)는 투과형 굴절계로 구성된다. 제 2 광학계(3)는 반사형 굴절계로 구성된다.

광 밸브(1) 상의 원화상은 투사면(4) 상에 정화상(erect image)으로서 투사된다. 제 1 광학계(2)와 제 2 광학계(3) 사이에 광 밸브(1) 상의 원화상의 역전 화상이 투과형 굴절계에 의해 중간 화상으로서 생성된다.

제 2 광학계(3)에 의해 투사면(4) 상에 중간 화상이 정화상으로서 투사된다.

광 밸브(1)와 제 1 광학계(2)는 직선으로 배치되어, 장치의 안길이 치수는 D이며, 제 1 광학계(2)의 하부와 제 2 광학계(3)의 하측 에지 사이의 영역에 사공간이 제공된다.

이하에, 본 발명의 제 1 실시예를 기술하며, 도 7을 참고로 하여 기술된 대응하는 부품은 대응하는 참조번호로 나타낸다.

본 실시예를 기술하기 전에, 본 발명에 따른 경사형 투사 광학 장치에서 Y 방향을 특정하기 위해, 벡터(A)가 정의된다.

도 1은 공간 광변조기(1) 상에 형성된 화상의 중심과 투사면(4) 사이의 광로에서 제 2 광학계(3')로부터 투사면(4)에 이르는 광로를 따라 이동하는 광 빔을 도시한다. 광 빔(a)은 투사면(4)의 법선(N)에 대해 경사지게 투사된다. 이러한 경우에, 광 빔(a)의 경로를 따라 편향 요소가 있더라도, 광 빔(a)은 이러한 편향 요소를 직선으로 통과하여 투사면(4)에 도달하는 것으로 가정한다.

그 이동 방향으로의 광 빔의 벡터는 벡터(A)로 하고, 투사면(4)에 실질적으로 평행한 벡터(A)의 투사 성분은 상측 방향(U)으로 규정되며, 상측 방향의 반대방향은 하측 방향으로 규정된다. 이에 따라, Y 방향은 상측 또는 하측 방향에 상응하고, 광로의 절곡하는 방향은 상측 또는 하측 방향을 구비한다.

도 1에서, 제 1 광학계(5)의 광축은 광로 편향 유닛(6)(도 3 참조)에 의해 +Y 방향으로 편향된 다음, 제 2 광로 편향 유닛(7)(도 3 참조)에 의해 +X 방향으로 편향된다.

이에 따라, 본 실시예에서, 광로는 제 1 광학계(5) 내에서 절곡되며, 적어도 상측/하측 방향으로의 절곡은 절곡 위치보다 물체측(공간 광변조기측)에 근접하게 수행된다.

보다 구체적으로, 광축은 제 1 광학계의 광축에 대해 -Y 방향으로 절곡되며, 도 7에는 절곡이 없다.

이러한 구조를 채택함으로써, 도 1에 도시한 바와 같이, 장치의 안길이 치수(D2)로부터 안길이 치수(D1)로 감소되며, [도 7에서 안길이 치수(D)에 대응하는] 절곡은 없다.

또한, 절곡이 없는 경우에 광축의 절곡부가 제 1 광학계(도 7 참조) 아래의 사공간에 위치될 수 있기 때문에, 사공간이 효율적으로 이용될 수 있다.

도 5a는 본 실시예에 따른 투사 광학 장치의 Y-Z 평면을 도시한다. 도 5b는 투사 광학 장치의 X-Z 평면을 도시한다. 도 5a에 도시한 바와 같이, 제 1 광학계(5)의 제 1 그룹(5A)(광 밸브에 보다 근접함)은 기부면(X-Z 평면) 근방에 배치된다. 평면도(도 5b)에서 알 수 있는 바와 같이, 제 2 그룹(5B) 이외의 제 1 광학계(5)의 영역은 제 2 그룹(5B)의 높이보다 낮은 높이(Y1)를 갖는다. 이에 따라, 장치의 주요부의 높이는 높이(H)로 감소될 수 있다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 참조번호(22)는 장치의 케이싱을 지칭한다. 또한, 도 5a 및 도 5b에서, 광로 편향 유닛(6, 7)은 이해를 돕기 위해 장방형 형상을 가진 것으로 도시된다.

이에 따라, 제 1 광학계(5) 내에서 상측-하측 방향, 즉 Y 방향으로 광로를 절곡함으로써, 공간 광변조기(1)를 구비한 화상 형성부는 하측 위치에 위치될 수 있다.

그러나, 레이아웃 조건을 희생하면서 투사 성능에 우선권이 제공되어야 하는 경우가 있을 수 있다. 이에 따라, 광로의 절곡을 허용하기 위해 충분히 긴 공간을 갖는 광학계를 설계하는 것이 불가능할 수 있다. 이러한 경우에, 광로가 하측으로 연장될 필요가 있는 문제점을 일으킬 수 있다.

구체적으로, 광로를 하측으로 단순히 절곡하면, 제 2 광학계(3')의 하측 에지를 넘는 하측방향 길이를 초래하므로, 장치의 높이를 증가시킨다.

이러한 문제점을 극복하기 위해, 본 실시예에 따르면, 적어도 제 1 광학계(5)는 상측/하측 방향에 수직한 수평방향으로 절곡되므로, 도 5a에서 장치의 높이가 Y3를 넘어 연장되는 것을 방지한다.

이에 따라, Y2와 Y3 사이의 범위 내의 -Y 방향으로뿐만 아니라, 수평방향으로 광로를 절곡함으로써, 장치의 전체 높이가 증가하는 것이 방지될 수 있다.

공간 광변조기(1)는 LCD 패널 등의 광 밸브일 수 있다. 이러한 경우, 패널을 조명하기 위한 조명 엔진이 장치의 하부(사공간)에 배치될 수 있기 때문에, 보다 안정된 중력 중심을 갖는 장치가 구현될 수 있다.

구체적으로, 도 2의 구성에서, 제 2 광학계(3')의 하측 에지의 높이가 Y3로 나타낸 경우, 공간 광변조기(1)를 Y3 위에 위치시킴으로써, 장치의 높이를 증가시키지 않고서 사공간이 효율적으로 이용될 수 있으므로, 보다 작은 체적을 갖는 장치를 구현가능하게 된다.

X-Y 평면을 나타내는 도 2에서, 광로 편향 유닛(평면 미러)(6, 7)은 제 1 그룹(5A)과 제 2 그룹(5B) 사이의 광로 내에 제공된다. 제 1 그룹(5A)의 광축(L1)(도 4 참조)은 Z축 방향을 따르며, 광로 편향 유닛(6)에 의해 Y 방향으로 편향된다.

이어서, 광로 편향 유닛(7)이 설치되며, 광축(L2)(도 4 참조)은 X축 방향으로 광축(L3) 내로 편향된다. 제 2 그룹(5B)과 제 2 광학계(3')(포지티브 파워를 갖는 반사형 굴절 요소임) 사이의 광로 공간 내에는, 중간 화상 평면(I)이 형성된다.

장치의 기부면은 X-Z 평면에 있다. Y 방향으로의 기부면의 높이는 Y 방향으로의 반사형 굴절 요소(3')의 최소 높이에 실질적으로 대응한다.

도 3(사시도)에 도시한 예에서, 공간 광변조기(1) 상의 원화상의 종방향은 Y 방향이다. 공간 광변조기(1) 상의 원화상의 종방향은 광로 편향 유닛(6)의 편향면 상의 Y-Z 평면에 있다.

광로 편향 유닛(6)의 편향면에 대한 법선은 Y-Z 평면에 있고, Z축에 대해 45°로 경사진다.

광로 편향 유닛(7)의 편향면 상에는, 공간 광변조기(1) 상의 원화상의 종방향이 Z축 방향에 있다. 광로 편향 유닛(7)의 편향면에 대한 법선은 X-Y 평면에 있고, X축에 대해 -45°로 경사진다.

광축이 광로 편향 유닛(7)에 의해 X 방향으로 편향되기 때문에, 투사면은 Y-Z 평면에 있다. 이에 따라, 화상의 종방향은 Y-Z 평면 내의 투사면 상에서 Z 방향에 있으므로, 투사 화상은 측방향으로 더 길다.

상술한 구성에서, 하기의 유리한 효과가 이루어질 수 있다.

● 전체 장치의 안길이 치수가 도 7에 도시한 종래 구조에 비해 감소될 수 있다.

● 도 1에 빗금 친 부분에서 알 수 있는 바와 같이, 제 1 광학계(5) 아래의 사공간이 도 7의 종래예에 비해 감소된다. 이에 따라, 큰 효율적인 직경을 갖는 제 2 광학계(3')로 인해 사공간이 효율적으로 이용될 수 있고, 장치의 필요 공간이 감소될 수 있다.

● 하측 방향 및 수평방향으로 절곡하기 때문에, 사공간이 효율적으로 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 수평방향으로의 광학계의 길이가 높이 방향으로 절곡되는 광학계의 일부 길이에 의해 감소될 수 있다. 이에 따라, 깊이 방향으로의 장치의 사이즈가 감소될 수 있다.

● 공간 광변조기의 종방향이 장치의 기부면에 대해 수직방향으로 배치될 수 있으므로, 기부면에 평행한 방향, 즉 측방향으로 더욱 긴 화상은 투사면 상에 투사될 수 있다. 이에 따라, 공간 광변조기가 수직방향으로 배치되면, 크로스 프리즘(cross prism) 등의 체적이 감소될 수 있으므로, 크로스 프리즘의 비용 및 장치의 중량이 감소될 수 있다.

도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 공간 광변조기(1)에 보다 근접한 제 1 그룹(5A)과 중간 화상에 보다 근접한 제 2 그룹(5B) 사이의 제 1 광학계(5) 내의 광로 공간 내에 광로 편향 유닛(6, 7)이 연속적으로 배치되기 때문에, 구조를 복잡하게 하거나 또는 장치의 사이즈를 증가시키지 않고서 편향 유닛이 용이하게 배치될 수 있다.

제 1 광학계(5)의 제 1 그룹(5A)의 광축(L1)이 도 3의 사시도에서 Z축에 평행한 것으로 도시되지만, 광축(L1)은 X-Z 평면 또는 Y-Z 평면, 혹은 그 양자에서 특정 각도로 Z축에 대해 경사질 수 있다.

광축이 X-Z 평면에서 경사진 경우, 경사 각도에 따라 공간 광변조기(1)를 적절하게 회전시킴으로써, 화상이 정확한 배향으로 투사 스크린 상에 투사될 수 있다.

도 6의 (A) 내지 도 6의 (C)는 제 1 광학계(5)만으로 제 2 그룹(5B)의 광학 요소를 이동시키도록 구성된 포커싱 조절 기구(focusing adjustment mechanism)를 도시한다. 도 6의 (A)는 50 인치의 투사 스크린 크기의 일례이고, 도 6의 (B)는 75 인치의 투사 스크린 크기의 일례이며, 도 6의 (C)는 100 인치의 투사 스크린 크기의 일례이다.

이에 따라, 포커싱 조절 기구는 제 1 그룹(5A)에 대해 장치의 상부에 근접하게 위치설정된 제 2 그룹(5B) 내에 집중된다. 이는 포커싱 조절 기구가 장치 상부로부터 아래로 깊이 배치될 필요가 없음을 의미한다. 이에 따라, 포커싱 조절 기구를 작동시키기 위해 필요한 유닛이 구조를 복잡하게 하고 사이즈를 증가시킬 필요가 없다. 포커싱 조절 기구가 아래로 깊이 배치되면, 상부면의 외부에 그 작동 유닛을 제공하기 위해, 포커싱 조절 기구는 사이즈가 증가되거나 또는 복잡해져야 한다.

본 실시예에 따르면, 광로 편향 유닛(6, 7)은 모두 비싸지 않은 평면 미러로 이루어진다. 또한, 이는 광로 편향 유닛(6, 7)이 대체로 원통형인 광학계 미러 프레임(도시하지 않음)과 용이하게 일치될 수 있는 이점을 제공한다.

도 8은 본 발명의 제 2 실시예를 도시한 것으로서, 전술한 실시예에 대응하는 부품 또는 요소는 대응하는 참조번호로 지시되고, 그 구조 또는 기능에 대한 기재는 필요 없다면 생략된다(이후의 실시예에도 적용됨).

본 실시예에서, 일체 결합된 2개의 장방형 프리즘을 구비한 광로 편향 유닛(8)이 사용된다. 구체적으로, 광로 편향 유닛(8)은 제 1 실시예의 광로 편향 유닛(6, 7)에 각각 대응하는 제 1 장방형 프리즘(9)과 제 2 장방형 프리즘(10)을 구비한다. 제 1 장방형 프리즘(9)의 편향면(9A)에 대한 법선과, 제 2 장방형 프리즘(10)의 편향면(10A)에 대한 법선은 서로 수직한다. 이에 따라, 상술한 바와 같이, 공간 광변조기(1)의 종방향이 기부면에 수직한 방향으로 배치되면, 투사 화상의 종방향은 후술하는 바와 같이 기부면에 평행하게 된다.

도 8을 참조하면, 제 1 장방형 프리즘(9)에 이르는 광로에서, 공간 광변조기(1)의 종방향은 이중 화살표로 나타낸 바와 같이 Y 방향에 있다. 제 1 장방형 프리즘(9)(반사면)으로부터 제 2 장방형 프리즘(10)에 이르는 광로에서, 공간 광변조기(1)의 종방향은 Z 방향에 있다.

마지막으로, 제 2 장방형 프리즘(10)에 의해 편향 및 반사된 광로에서, 공간 광변조기(1)의 종방향은 Z 방향에 있다.

이에 따라, 공간 광변조기(1)의 종방향은 Y 방향으로부터 Z 방향으로 변환된다. 장치의 기부면이 도 3에 도시한 바와 같이 X-Z 평면에 있기 때문에, 투사 화상의 종방향은 기부면에 평행하게 되며, 이는 장치를 배치하는 평면에 실질적으로 수평인 것으로 가정된다.

도 9는 본 발명의 제 3 실시예를 도시한다.

본 실시예에서, 케이블(11)은 그 단측부로부터의 공간 광변조기(1)로부터 상부면측으로 도시되며 제어 기판(12)에 연결된다. 이에 따라, 제어 기판(12)은 기부면에 평행하게 배치될 수 있다.

본 구성에서, 장치의 높이가 제어 기판(12)의 종방향 또는 측방향 길이에 의해 구속되지 않기 때문에, 장치의 높이는 제어 기판(12)의 종방향 또는 측방향 길이보다 짧게 제조될 수 있다.

본 실시예에는 편광 빔 스플리터(polarization beam splitters)(13)가 사용되는 것으로 도시되지만, 그 대신에 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizers)가 사용될 수 있다. 도 9에서, 참조번호(14)는 광 구성 프리즘을 나타낸다.

도 10은 본 발명의 제 4 실시예를 도시한다.

X-Z 평면을 도시하는 도 10을 참조하면, 광로 편향 유닛(6) 전의, 즉 공간 광변조기(1)에 보다 근접한 투사 광학계의 광축(L1)은 Z 방향에 놓인다. 후속하는 단계에서 투사 광학계의 광축(L3)은 광로 편향 유닛(7)으로 인해 X 방향에 놓인다. 이에 따라, 본 평면도에서, 광축은 L자 형상으로 절곡된다.

도 10에서 빗금 친 영역에 조명 광학계를 위치시킴으로써, 장치의 공간 소모가 전제적으로 감소될 수 있고, 장치의 크기가 감소될 수 있다. 본 실시예에서, 종래의 조명 광학계가 사용될 수 있다. 조명계가 광원, 조도 균일 광학계 및 편광 변환 요소를 구비하는 한, 조명광의 개선된 이용 효율이 성취될 수 있다.

조도(illuminance)는 플라이-아이 광학계(fly-eye optical system) 또는 로드 인터그레이터(rod integrator) 요소에 의해 균일하게 될 수 있다. 조명광의 확산 각도를 조절하기 위한 집광 렌즈(condenser lens)가 사용될 수도 있다. 광원은 메탈할라이드 램프 또는 고압 수은 램프를 포함할 수 있거나, 또는 레이저 또는 발광 다이오드(LED) 등의 고체상 광원을 포함할 수 있다.

도 10에 도시한 실시예에서, 우수한 편광 분리 특성을 갖는 와이어 그리드 편광자 또는 편광 빔 스플리터가 편광 분리판(24)으로서 사용될 수 있다.

도 10에 도시한 예에서 소위 3개 플레이트 타입, 즉 조명광이 파장 분리판(25)에 의해 RGB의 3가지 색상으로 분리된 다음, 각각의 색상이 별개의 공간 광변조기 상에 비치지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 다른 실시예에서, 단일의 공간 광변조기(1)가 사용될 수 있고, 컬러 스크롤 필터(color scroll filter)를 이용하여 화성이 필드 시퀀셜(field-sequential) 방식으로 발생될 수 있고, 본 발명의 효과가 얻어질 수 있다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 제 5 실시예를 도시한다.

X-Y 평면도인 도 11a 및 도 11b에 도시한 바와 같이, 기부면에 면하는 제 1 광학계(5)의 제 2 그룹(5B) 아래에 얼마의 공간이 있다. 이러한 공간에는, 제 2 광학계(3')와 제 1 광학계(5) 사이의 거리가 감소될 수 있는 방향으로 제 2 광학계(3')를 이동시키는 가동형 기구(movable mechanism)(15)가 제공된다.

구체적으로, 가동형 기구(15)는 제 1 광학계(5)의 제 2 그룹(5B) 아래의 공간 내에 기부면에 고정되는 고정 프레임(16)을 구비한다. 제 2 광학계(3') 쪽으로 이동가능하도록, 고정 프레임(16) 내에 가동형 프레임(17, 18)이 수용된다. 제 2 광학계(3')를 지지하기 위한 지지 부재(19)는 가동형 프레임(18)의 단부에 고정된다.

장치가 사용되지 않는 경우, 즉 화상이 투사되지 않는 경우, 제 2 광학계(3')는 도 11b에 도시한 바와 같이 제 1 광학계(5)에 보다 근접하게 위치설정될 수 있으므로, 전체 장치에 의해 점유되는 공간이 줄어들 수 있다.

도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제 6 실시예를 도시한다.

X-Y 평면인 도 12a 및 도 12b에 도시한 바와 같이, 제 2 광학계(3')와 투사면(4) 사이의 광로 공간 내에 개구부(20)와 광 차단부(21)가 제공되므로, 제 2 광학계(3')에 의해 반사된 후에 그리고 투사면(4)에 도달하기 전에 개구부(20)를 통해 광 플럭스가 통과한다.

단순한 구멍일 수 있는 개구부(20)는 광 투과성 물질에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 개구부(20)를 제공함으로써, 투사 스크린에 도달할 수 있는 섬광(flare light)이 차단될 수 있으므로, 예컨대 명암 대비의 견지에서 개선된 화상 품질이 성취될 수 있다. 또한, 제 2 광학계(3')의 반사면 상에 먼지 또는 외부 물질이 수집되는 것이 방지된다. 먼지 또는 외부 물질이 제 2 광학계(3')의 반사면에 부착되면, 투사 화상의 품질이 열화된다.

투사 광의 열로 인해 먼지 또는 외부 물질이 반사면에서 연소된다면, 투사 화상의 품질이 영구적으로 열화될 수 있다. 이러한 문제점은 개구부(20)에 의해 방지될 수 있다.

도 12b에 도시한 바와 같이, 개구부(20)와 광 차단부(21)는 제 2 광학계(3')과 함께 이동되므로, 장치 내에 저장될 수 있다. 이로써, 장치의 사이즈는 더욱 감소될 수 있다. 도 11을 참조하여 기술된 가동형 유닛과 유사한 가동형 유닛이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.

본 발명이 특정 실시예를 참조로 하여 상세하게 기술되었지만, 이하의 청구범위에 기술 및 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 및 사상 내에서 변경 및 수정이 이루어질 수 있다.

본 출원은 2007년 9월 28일자로 출원된 일본특허출원 2007-256383호에 근거한 것으로서, 그 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.

Claims (17)

1. 공간 광변조기(spatial light modulator); 및
   투과형 굴절 요소(transmissive-reflective element)를 갖는 제 1 광학계와, 반사형 굴절 요소(reflective-refractive element)를 갖는 제 2 광학계를 구비한 투사 광학계;를 포함하며,
   상기 제 1 광학계는 광학 경로를 따라 상기 제 2 광학계와 상기 공간 광변조기 사이에 배치되고,
   상기 공간 광변조기에 의해 형성된 화상은 상기 투사 광학계에 의해 투사면 상에 투사되고,
   상기 공간 광변조기에 의해 형성된 상기 화상의 중심과 상기 투사면 사이의 광로에서, 상기 제 2 광학계로부터 상기 투사면에 이르는 광로를 따라 이동하는 광 빔은 상기 투사면의 법선에 대해 경사지게 투사되고,
   상기 광 빔의 이동방향의 벡터가 벡터(A)라면, 상기 투사면에 평행한 상기 벡터(A)의 투사된 성분은 상측 방향으로 형성되고, 상기 상측 방향의 반대방향은 하측 방향으로 형성되며,
   상기 제 1 광학계의 광축은, 상측 또는 하측 방향으로의 벡터를 포함하는 방향으로 광로 편향 유닛에 의해 절곡되며,
   상기 제 1 광학계에 대해 이동가능한 상기 제 2 광학계를 지지하는 가동형 기구를 더 포함하며,
   비투사 시에는, 투사 광학 장치의 안길이 치수를 감소시키기 위해, 상기 제 2 광학계는 상기 제 1 광학계 쪽으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 상측 또는 하측 방향에 수직한 방향을 수평방향으로 규정하면, 상기 제 1 광학계의 광축은 상기 상측 또는 하측 방향으로의 상기 벡터를 포함하는 방향과 더불어, 상기 수평방향으로의 벡터를 구비한 방향으로 절곡되는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제 1 광학계 내의 절곡 위치와 상기 공간 광변조기 사이에 배치된 렌즈 그룹은 포지티브(positive)로 구성된 파워를 가지며,
   상기 렌즈 그룹에 의해 출사되는 광 플럭스는 스프래드(spread)되지 않거나 또는 평행한 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제 1 광학계 내의 절곡 위치는, 상기 절곡 위치와 상기 공간 광변조기 사이에 배치된 렌즈 그룹에 의해 출사되는 광 플럭스가 스프래드되지 않거나 또는 평행하게 하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제 2 광학계는 포지티브 파워를 갖는 반사형 굴절 요소를 구비하고,
   상기 제 1 광학계와 상기 제 2 광학계 사이에 중간 화상을 생성하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 포지티브 파워를 갖는 상기 반사형 굴절 요소는 상기 투사 광학계 내에서 가장 큰 효율의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제 1 광학계에서 상기 상측 또는 하측 방향으로의 상기 벡터를 포함하는 방향으로의 절곡은 상기 반사형 굴절 요소의 하측 에지를 향하며,
   상기 제 1 광학계 내의 상기 절곡 위치와 상기 공간 광변조기 사이에 배치된 렌즈 그룹은 상기 반사형 굴절 요소의 하측 에지에 의해 하한값이 형성되는 공간 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제 1 광학계 내의 상기 절곡 위치와 상기 공간 광변조기 사이에 배치된 렌즈 그룹은 광축(L1)을 가지며,
   상기 광축(L1)은, 상기 광축(L1) 상에 배치된 제 1 광로 편향 유닛에 의해 광축(L2) 내로 절곡되고,
   상기 광축(L2)은, 상기 광축(L2) 상에 배치된 제 2 광로 편향 유닛에 의해 광축(L3) 내로 절곡되며,
   상기 광축(L1, L2, L3)은 상기 제 1 광학계에서 동일한 평면에 있지 않은 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 제 1 광학계는, 상기 제 2 광학계와 상기 절곡 위치 사이에 배치된 렌즈 그룹에 제공된 포커싱 조절 기구(focusing adjustment mechanism)를 구비하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 광로 편향 유닛은 평면 미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
    
11. 제1항에 있어서,
    복수의 광로 편향 유닛을 포함하며,
    1개의 광축 상에 배치된 상기 광로 편향 유닛 중 2개는 일체 형성되거나 또는 연속적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
    
12. 제10항에 있어서,
    상기 광로 편향 유닛은 2개의 광로 편향 유닛을 구비한 프리즘을 포함하며,
    상기 광로 편향 유닛 중 하나의 편향면/반사면에 대한 법선과, 상기 광로 편향 유닛 중 다른 것의 편향면/반사면에 대한 법선은 서로 수직하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광변조기를 위한 제어 기판은, 상기 투사면의 좌측 또는 우측 방향에 그리고 상기 제 2 광학계와 상기 절곡 위치 사이에 배치된 렌즈 그룹의 광축을 포함하는 평면에 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
    
14. 삭제
15. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광변조기는 상기 제 2 광학계의 최저측 에지와 동일한 높이로 배치되거나 또는 그 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.
    
16. 삭제
17. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 광학계와 상기 투사면 사이의 광로 내에 개구부 및 광 차단부가 제공되며,
    화상 투사시에, 상기 제 2 광학계로부터 반사된 광은 수렴하는 방식으로 상기 개구부를 통과하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 장치.

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