KR20010025115A - 이중 램프 조명 시스템 및 이중 램프 조명 시스템 내장형투사 시스템 - Google Patents

이중 램프 조명 시스템 및 이중 램프 조명 시스템 내장형투사 시스템 Download PDF

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요트.게.아. 롤페즈
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Abstract

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

Description

이중 램프 조명 시스템 및 이중 램프 조명 시스템 내장형 투사 시스템{Dual lamp illumination system and projection system incorporating same}
한 개 이상의 전기광학 광 변조기를 이용하는 대부분의 색 투사 디스플레이 시스템들은 또한 단일 램프 백색광 조명 소스, 소스로부터 백색광을 삼원색(적색, 청색, 및 녹색) 성분들로 분리하기 위해 정렬된 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 반사 액티브 매트릭스 LCD패널들이고, 광원은 아크(arc)의 길이가 작은 고 밀도 방전 램프이다. 이 아크의 길이가 작으므로 낮은 에텐듀(etendue)를 갖는 상대적으로 밀집한 조명 빔을 야기한다. 에텐듀는 면적과 각의 크기를 말하는 용어로서, 조명 빔의 기하학적 제한들을 정의하는 광학에서 사용하는 용어이다. 조명 빔의 낮은 에텐듀로 인해 디스플레이 패널이 상대적으로 작은 패널 크기(대략 1.3 인치 또는 그 이하)임에도 불구하고 빔의 커다란 부분을 이용하는 것이 가능하다.
상당한 효과는 이러한 복합 디스플레이 패널들의 크기와 단가를 더 줄일 수 있게된 것이다. 이러한 패널이 크기가 작아짐에 따라, 조명 빔의 에텐듀을 줄이기 위해, 램프의 아크 길이 또한 감소되어야 하며, 이로 인해 투사 시스템의 적당한 루멘(lumen) 출력이 유지된다.
공교롭게도, 아크의 길이가 크기에 있어 작아짐에 따라, 램프 전극들의 전류밀도는 실질적인 제한에 도달할 때까지 증가한다. 공교롭게도, 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 6-24397는, 두 개의 광원들(27, 21)을 갖는 투사 디스플레이 장치가 도시되어있고, 두 광원들 각각의 조명 빔들은 집광 반사기들(31, 32)에 의해 반대된 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 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.
본 발명은 조명 시스템에 관한 것으로, 특히 한 개 이상의 전기광학 광 변조기들을 이용하는 색 투사 디스플레이 시스템들에 사용하기 위해 적합한 시준 광 조명 시스템에 관한 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 이중 램프 조명 시스템에 대한 일 실시예의 개략적인 배치도.
도 1b는 도 1a의 배치도의 복합 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 유사한 개략적인 배치도.
도 3b는 도 3a의 배치도의 복합 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.
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 복합 빔을 형성하기 위해 겹치도록 배치되는 이중 조명 시스템이 제공된다. 평면 거울 쌍은 복합 빔 부분(예를 들어, ½)을 빔 경로 외부로 반사시키기 위해 복합 빔의 경로 쪽으로 이동된다. 거울면들은 새로운 복합 시준 빔이 형성되도록 각도가 맞추어진다.
새로운 복합 빔의 경로 쪽으로 반사되지 않는 복합 빔 부분의 광선은 광선이 평면 거울 면들의 경로 상의 복합 빔 부분을 통과할 때까지 램프 반사기들 사이에서 순환하고, 광선들은 새로운 복합 빔 쪽으로 반사되어 나간다.
이러한 이중 램프 조명 시스템은 원래 혼합된 빔들이 충분히 유지되는 동안 광 출력이 거의 두 배가 된다는 이점을 갖는다. 그래서, 이러한 조명 시스템을 이용하는 투사 디스플레이 시스템의 루멘 출력은 값비싼 시준 렌즈에 대한 필요성이 없이, 단일 램프를 갖는 렌즈 상에서 충분히 증가될 수 있다.
제 1 복합 빔의 절반이 반사되는 경우에, 새로운 복합 빔의 단면적은 충분치 않게 또는 아주 조금 증가한다. 시준이 또한 충분히 유지되기 때문에, 빔의 에텐듀 또한 충분치 않게 또는 아주 조금 증가한다.
본 발명의 양호한 실시예에 따라, 제 1 복합 빔의 절반 보다 조금 더 반사하기 위해 거울을 이동시킴으로서 로멘 출력의 증가는 더 얻어질 수 있다. 예를 들어, 광원 직경의 4배(1/2 내지 2배) 만큼 빔 쪽으로 더 이동하면 20내지 30 퍼센트 더 많은 루멘 출력의 증가를 가져온다. 하지만, 빔의 단면적은 증가하고, 그래서 에텐듀를 감소시킨다. 상기 영역 내에서 거울의 위치를 조정하면 특정 투사 시스템에 대해 증가된 루멘 출력과 감소된 에텐듀 간의 최적 교환(trade-off)을 실현할 수 있다. 본 발명의 다른 양상에 따라, 평면 거울면들은 평면 거울면들의 대략적인 단부들(또는 공통 단부)에 대응하는 축에 대해서 회전할 수 있고, 발산함이 없이 단지 단면적의 적당한 증가를 갖는 채로 회전각 내에서 임의의 요구된 방향으로 새로운 복합 빔의 방향을 지시하거나 조정할 수 있으며, 그러므로 에텐듀는 적당히 증가한다.
시스템의 증가된 루멘 출력을 얻기 위한 거의 풀 파워(full power)에 까가운 또는 풀 파워에서 본 발명의 조명 시스템의 램프를 동작시키는 대안으로서, 루멘들의 동작 수명을 증가시키기 위해 감소된 파워에서 램프들은 동작될 수 있다. 이러한 감소된 파워 동작은 풀 파워에서 남아있는 램프를 간단히 동작시킴으로서 또한 램프들 중 하나가 기능장애인 경우에 계속된 동작을 하게 한다. 필요하다면, 평면 거울면들은 동작 램프들로부터 전체 빔을 반사하기 위해 빔 경로 쪽으로 더 움직여 질 수 있다.
바람직하게, 램프들은 실질적으로 동일한 타입 및 크기이고, 서로 접한채로 정렬된다. 대안적으로, 램프들의 광학 경로들은 하나 이상의 거울들을 사용하여 겹쳐질 수 있다. 바람직하게, 램프들의 복합 빔을 반사하기 위해 사용된 평면 거울면들은 입방체 또는 반 입방체의 두 개의 인접 측 상에서 형성된다.
본 발명의 넓은 양상에 따라, 이중 램프 조명 시스템은 시준 조명 빔을 형성하기 위해 시준 반사기와 광원을 각각 포함하고, 빔이 제 1 복합 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 복합 빔을 형성하기 위해 서로 인접하게 배향되고, 다르지만 공통 축을 따라 공통 방향으로 제 1 복합 빔 부분을 반사시키도록 하기 위해 배치된, 제 1 및 제 2 평면 거울면들을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 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 포함한다는 점이 특징이다.
본 발명은 더욱이 이러한 이중 램프 시스템을 내장한 투사 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 도면을 참조로 제한된 수의 실시예에 의해서 설명된다.
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 그들 조명 빔들이 램프 간에서 앞뒤로 순환하도록 빔 경로(A)의 축과 대응하는 대칭 축(Z)을 갖는 다른 한편과 마주보며, 복합 빔(B)을 발생하기 위해 위치된다. 하우징들(122, 142)의 반사면들(123, 143)이 시준 출력 빔을 발생시키기 위한 모양(예를 들어, 포물선)을 갖기 때문에 이 순환이 일어난다. 그래서, 이들 반사기들은 시준 경로를 따라 입사 광선들을 되돌린다.
램프들은 일반적으로 조명 또는 특히 투사 시스템을 위해 유용한 것으로 알려진 변형들이 있을 수 있고, 이러한 아크 램프들은 금속-할로겐화물 및 크세논 램프뿐만 아니라 텅스텐-할로겐 램프들을 포함하는 고 강도 방전(HID) 램프들로서 알려져 있다. 도시된 램프들은 동일 크기와 타입의 HID 금속-할로겐화물 램프들이지만, 램프들은 동일 크기를 필요로 하지 않고 또는 동일 타입조차 필요로 하지 않으며, 혼합된 빔(B)의 에텐듀가 가장 큰 각각의 빔의 에텐듀보다 더 크지 않는 것으로 제공된다.
출력 빔(C)은 혼합된 빔(B)의 경로쪽으로 시준하게 광학 요소(16)를 삽입함으로서 얻어진다. 이 광학 요소(16)는 평면 거울면들을 갖는 반 입방체와 공통 단부 또는 꼭지점(163)이다. 꼭지점(163)은 혼합된 빔 경로 또는 축(A)의 중앙에 위치된다. 반사면들은 다른 한편과 90°, 광선들의 경로에 45°의 각도로 향하게 되고, 광선들은 시준 반사면들(123, 143)로 인해 다른 한편과 평행이다. 이러한 장치의 한가지 결과는 혼합된 빔(B)의 절반에서의 광선들이 반사 평면 표면들(161, 162)을 때리게 되고 새로 혼합된 빔(C)을 형성하기 위해 중심선(D)에 평행한 동일 방향 쪽으로 반사되는 것이다. 이해되는 바와 같이, 혼합된 빔(C)의 단면적(Ca; 도 1b를 보라)은 혼합된 빔(B)의 단면적 보다 크지 않다.
상기 장치의 또 다른 결과는 혼합된 빔(C)의 다른 절반의 광선들이 제 1 측(Br) 상의 램프들 중 하나 또는 다른 하나로부터 빠져 나올 때까지 반사면들(123, 143) 사이에서 앞뒤로 순환하는 것이다. 그래서, 필연적으로 두 개의 램프들로부터의 모든 광은 결국 혼합된 빔(C)으로 들어간다.
도 2는 도 1a 장치의 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 반사 평면 표면들에 인접한 램프들에 의해 일부 지정되는 영역까지, 큰 각을 따라 방향지어지고 조정될 수 있다. 이 조정은 단면적의 적절한 증가에 의해 달성되고, 그래서 에텐듀가 적절히 증가된다.
도 3a는 도 1a 장치의 다른 변형(30)을 도시하며, 여기서 광학 요소(16)는 축(D) 내지 축(A)을 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 광학요소를 움직이면(UHP 램프의 경우에 있어 약 3/8 내지 1/2 인치), 램프 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 증가시키고, 요소(16)의 위치는 특정의 투사 시스템에 대한 루멘 출력과 감소된 에텐듀 간의 최적 교환이 일어나도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 단면(Cb)의 넓어지는 정도는 광 종횡비(wide aspect ratio)를 갖는 광학 장치를 채우기 위해 설정될 수 있다.
도 4는 도 1a 장치의 다른 변형(40)을 도시하며, 여기서 광학 요소(16)는 A 와 D 축 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. 이 장치는 램프(14)가 기능 장애인 경우에 적절한 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 집적기(54)에 의해 집적되고, 거울(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. 집적기(54)는 조명 시스템의 램프들 중 하나가 기능장애를 일으킨 후 출력 빔의 광선들을 재분배하고, 출력 빔의 경로쪽으로 남아있는 램프의 전체 빔을 반사하기 위해 도 4에 도시된 방법으로 평면 거울면들을 움직이기 위한 준비가 되어있지 않은 경우에 특히 유용하다.
본 발명이 제한된 수의 실시예들에 관해 설명되었지만, 다른 실시예들과 변형들이 여기에서 제공된 명세서 및 도면으로부터 명백하게 된다는 것과, 이러한 다른 실시예들 및 변형들이 첨부된 청구항들의 영역 내에 포함되도록 의도한다는 것을 이해 할 수 있을 것이다.
그래서, 본 발명의 조명 시스템이 투사 디스플레이 시스템에서 도시되었지만, 조명 시스템에 대한 다른 많은 유용성들은, 예를 들어 출력 빔의 에텐듀가 중요한 직접 뷰 디스플레이 시스템(direct view display system) 및 직접 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, 개별적으로 변조된 성분들이 디스플레이 패널 상에 투사되기 전에 충분한 칼라 영상을 형성하기 위해 혼합된 후, 칼라 비디오 신호의 삼원색 성분들과 같이 개별적인 정보 디스플레이 신호들에 따라 각각의 성분은 변조된다. 이 개별적인 변조는 세 개의 개별적인 광 변조 디스플레이 패널들 상에서 또는 단일 패널 상에서 일어날 수 있으며, 공지된 기술에서와 같이 프레임 연속 방법(frame-sequential manner)에서 또는 화면이동 칼라 밴드(scrolling color band)들에 의해서 일어날 수 있다. 적당한 화면이동 칼라 투사기들이 예를 들어 참조번호로서 통합된 미국 특허 제 5,532,763호 및 제 5,548,347호에 도시되어 있다.

Claims (16)

  1. 제 1 램프(12)와 제 2 램프(14)로서, 각 램프는 시준된 조명 빔을 형성하기 위해 광원(121, 141)과 시준 반사기(123. 143)를 포함하고, 상기 램프들(12, 14)은 서로에 대해 빔들이 제 1 복합 빔(B)을 형성하기 위해 적어도 부분적으로 겹치도록 하는 식으로, 제 1 램프(12)의 빔이 제 2 램프(14)의 반사기 쪽으로 향하고, 제 2 램프(14)의 빔이 제 1 램프(12)의 반사기 쪽으로 향하도록 위치되는, 상기 제 1 램프(12)와 제 2 램프(14);
    제 1 및 제 2 평면 거울 면들(161, 162)로서, 제 2 복합 빔(C)을 형성하기 위해 서로 인접하게 배향되고 시준 거울 면들 각각이 다르지만 공통 축을 따라 공통 방향으로 제 1 복합 빔(B) 부분을 반사시키도록 하기 위해 배치된, 상기 제 1 및 제 2 평면 거울 면들(161, 162)을 포함하는, 이중 램프 조명 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 램프(12) 및 제 2 램프(14)들의 빔들은 대략 동일 단면적을 갖는, 이중 램프 조명 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 램프들(12, 14)은 상기 복합 빔(B)의 영역에서 상기 제 1 및 제 2 빔들이 공통의 축(A)을 갖도록 위치하는, 이중 램프 조명 시스템.
  4. 제 4항에 있어서,
    상기 램프들(12, 14)은 공통의 축(Z)을 따라 서로 마주하게 위치하는, 이중 램프 조명 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 평면 거울 면들(161, 162)은 상호간에 수직이고, 상기 평면 거울 면들(161, 162)에 대응하는 기하학적 평면들의 교차선에 대응하는 공통 단부를 따라 만나게 되는, 이중 램프 조명 시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 평면 거울 면(161, 162)들은 상호간에 수직이고, 상기 평면 거울 면들(161, 162)에 대응하는 기하학적 평면들의 교차선에 대응하는 공통 단부(163)를 따라 만나게 되는, 이중 램프 조명 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 평면 거울 면들(161, 162)은 공통 단부(163)가 상기 빔들의 상기 공통 축(A)에 수직에 가깝도록 위치되는, 이중 램프 조명 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 평면 거울 면들은 상기 공통 단부(163)에 대응하는 회전축에 대하여 회전할 수 있는, 이중 램프 조명 시스템.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 거울 면들(161, 162)은 적어도 입방체(16) 부분의 두 인접 측들의 반사 면들을 포함하는, 이중 램프 조명 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 평면 거울 면들(161, 162)은 상기 제 1 혼합 빔의 상기 축(A)에 직각인 축을 따라 이동할 수 있는, 이중 램프 조명 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 평면 거울 면들(161, 162)은 상기 제 1 혼합 빔(B)의 상기 축(A)을 따라 이동할 수 있는, 이중 램프 조명 시스템.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 공통 단부(163)는 상기 혼합 빔들(B)의 상기 공통 축(A) 상에 위치하는, 이중 램프 조명 시스템.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 공통 단부(163)는 제 1 광원 직경의 4배 이상만큼 새로 혼합된 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 단부는 상기 제 1 광원(121)의 직경의 1/2내지 2 배만큼 상기 새로 혼합된 빔의 방향으로 상기 제 1 혼합 빔의 공통 축을 넘어서 위치되는, 이중 램프 조명 시스템.
  15. 적어도 하나의 광 변조 디스플레이 패널(58), 디스플레이 패널을 조명하기 위한 조명 시스템(52), 및 디스플레이 표면상에 변조된 광을 투사하기 위한 투사 렌즈(62)를 포함하는, 투사 디스 플레이 시스템(50)에 있어서,
    상기 조명 시스템(52)은 청구항 1항의 이중 램프 조명 시스템을 포함하는, 투사 디스플레이 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    광학 집적기(optical integrator;54)는 상기 조명 시스템(52)으로부터의 방출 빔(C) 경로 상에 위치되는, 투사 디스플레이 시스템.
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