KR20030032509A - 광학계 조명장치 - Google Patents

Abstract

액정 프로젝션 티브이, 모니터 등에서 입사되는 빛을 균질하게 만드는 광학계 조명 장치에 관한 것으로서, 특히 광원에서 발광되어 집속된 광이 입사되는 입사면과, 입사된 광이 전반사를 통해 진행되면 이를 출사하는 출사면을 구비한 라이트 로드의 입사면을 오목한 골의 형태나 오목 렌즈 형상 또는, 볼록한 산의 형태나 볼록 렌즈 형상으로 형성함으로써, 출사면에서의 빛의 각도를 줄일 수 있으므로 라이트 로드는 빛의 균질과 성형을 해줌과 동시에 각도 분포를 줄여줄 수 있다.

Description

광학계 조명장치{Optical device}

본 발명은 액정 프로젝션 티브이, 모니터 등의 광학계 조명 장치에 관한 것으로서, 특히 광원으로부터 출사되는 빛을 균질하게 만드는 인터그레이터(Integrator)에 관한 것이다.

최근 TV의 대형화에 따라 프로젝션 시스템이 많이 연구되고 있다. 프로젝션 시스템의 이미지 소자로는 폴리-실리콘(poly-silicon)과 실리콘 크리스탈(silicon crystal)에 액정을 올린 것과, 나노(nano) 기술을 이용한 DMD(Digital Micromirror Device)등이 있다.

이때, 광원인 램프에서 나온 빛은 패널에 최대한 작은 각도 분포를 가지고, 균질(uniform)하게 그리고 패널 모양으로 입사되어야 한다. 이런 역할을 해주는 소자를 인터그레이터(integrator)라 불린다. 가장 많이 쓰이는 인터그레이터에는 플라이-아이(Fly-Eye) 렌즈와 라이트 로드(light rod)가 있다.

상기 플라이-아이 렌즈는 램프에서 나온 빛을 여러 면적으로 쪼갠 다음 각각을 패널 상으로 조명시켜서 균질하고 성형(shaping)시킨다.

상기 라이트 로드는 길다란 글래스 블록을 놓아 빛이 라이트 로드 안에서 전반사하며 진행시켜 균질과 성형(shaping)을 한다.

상기 라이트 로드의 형상은 도 1과 같으며, 네면 중 2면을 성형과 빛의 각도분포를 줄이기 위해서 각도를 주기도 한다. 라이트 로드 안으로 들어온 빛은 전반사를 하면서 진행하게 된다.

즉, 램프에서 발광된 광이 라이트 로드에 입사하면 광은 내부에서 여러번 반사를 일으키면서 라이트 로드를 통과하게 되는데, 이때 라이트 로드의 출사면에서는 면 전체에 광이 골고루 퍼지면서 출사하게 된다. 다시 말해서, 광원으로부터 나온 광이 라이트 로드의 출사면으로 진행되어 출사면이 마치 제 2의 균질한 휘도 분포를 갖는 면 광원이 된다. 그 다음은 소정의 렌즈들과 전반사 미러에 의해서 화상 표시 소자 면에 라이트 로드의 출사면을 적당한 크기로 결상시킨다.

이때, 빛이 균질해지는 원리는 도 2에 나타나 있다. 빛이 라이트 로드 안에서 반사를 하면서 원래 중앙에 좁게 모여있던 빛은 넓게 퍼진다. 이 퍼진 빛은 마치 종이를 접는 것과 같이 펼쳐진 빛의 다발을 라이트 로드의 경계면을 기준으로 하여 접힌 결과가 라이트 로드 출사면에서 나가는 빛의 형상이 된다.

여기서, 라이트 로드의 길이가 길면 길수록 굴절되는 회수가 많아지므로 출사면에서의 빛은 좀 더 균질해진다.

이때, 출사면에서의 빛의 각도는 램프에서 라이트 로드로 들어오는 빛의 각도로써 결정되어지며, 라이트 로드 안에서의 라이트 로드의 경계면이 광축에 평행하기 때문에 빛의 각도가 바뀌지 않는다. 도 2에서 알 수 있듯이, 램프에서 나오는 빛은 라이트 로드의 입사면에 모여야 하므로 램프는 타원경을 써 빛을 집속한다.

도 3은 빛의 굴절 정도를 보인 도면이다. 즉, 라이트 로드는 광축에 대해 각도를 갖고 입사한 빛은 각도로 굴절되어 나간다.

도 4는 램프의 빛이 라이트 로드를 지난 후의 빛의 각도 분포를 보인 그래프이다. 도 4에서, 광축은 Z축 방향이며, A 방향은 X축, B 방향은 Y축 방향이다. 도 4를 보면, 전술한 바와 같이 램프에 타원경을 썼기 때문에 라이트 로드의 출사면에서의 빛의 각도에는 0°가 거의 없고, ±11도 정도를 중심으로 각도가 퍼져있다. 이는 빛의 각도를 최소로 만들려할 때 장애가 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 라이트 로드의 입사면을 비평면 형태로 형성함으로써, 라이트 로드의 출사면에서 빛의 각도를 작게 만드는 광학계의 조명 장치를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 라이트 로드의 일 예를 보인 사시도

도 2는 도 1의 라이트 로드에서 빛이 균질해지는 원리를 설명하기 위한 도면

도 3은 도 1의 라이트 로드 입사면에서의 빛의 굴절 경로를 보인 도면

도 4는 램프의 빛이 도 1의 라이트 로드를 지난 후의 각도 분포를 보인 도면

도 5는 본 발명에 따른 라이트 로드로서 입사면이 골의 형태로 형성되는 예를 보인 단면도

도 6은 일반적인 오목 렌즈로서, 모이는 빛의 각도를 줄여주는 예를 보인 도면

도 7은 도 5의 라이트 로드 입사면에서의 빛의 굴절 경로를 보인 도면

도 8은 램프의 빛이 도 5의 라이트 로드를 지난 후의 각도 분포를 보인 도면

도 9는 본 발명에 따른 라이트 로드로서 입사면이 산의 형태로 형성되는 예를 보인 단면도

도 10은 도 9의 라이트 로드 입사면에서의 빛의 굴절 경로를 보인 도면

도 11은 본 발명에 따른 라이트 로드로서 입사면이 볼록 렌즈의 형상으로 형성되는 예를 보인 단면도

도 12는 본 발명에 따른 라이트 로드로서 입사면이 오목 렌즈의 형상으로 형성되는 예를 보인 단면도

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광학계의 조명 장치는, 광원에서 발광되어 집속된 광이 입사되는 입사면과, 입사된 광이 전반사를 통해 진행되면 이를 출사하는 출사면을 구비한 광학 소자의 입사면을 비평면 형태로 형성하여 출사면에서의 빛의 각도를 줄이는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 광학 소자는 라이트 로드이며, 상기 라이트 로드의 끝단에 형성되는 입사면을 적어도 하나의 골부를 갖도록 형성하거나, 적어도 하나의 산부를 갖도록 형성하거나, 오목 렌즈 형상으로 형성하거나, 볼록 렌즈 형상으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 인터그레이터 중 라이트 로드에 관한 것으로서, 특히 라이트 로드 입사면을 비평면 형태 즉, 윗면 또는 아랫면에 대해서 수직이 되지 않도록 형성하여 빛이 입사할 때 각도를 바꾸어주는데 있다.

이때, 라이트 로드의 입사면은 일 예로, 오목한 형태의 복수개의 경사면을 갖거나(이를 골의 형태라 함), 볼록한 형태의 복수개의 경사면을 갖도록(이를 산의 형태라 함) 형성할 수 있으며, 설계자에 따라 렌즈 형상이나 다른 형상을 가질 수도 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이트 로드의 단면도로서, 라이트 로드의 입사면이 복수의 경사면을 갖는 골의 형태로 형성된다. 즉, 경사면이 오목 렌즈처럼 라이트 로드의 몸체쪽으로 경사진다.

이때, 오목 렌즈는 도 6과 같이 집광되는 빛의 각도를 줄여주는 성질이 있다. 즉, 본 발명은 빛이 모이는 정도를 약하게 해주는 오목 렌즈의 성질을 이용하기 위한 것으로서, 이를 위해 라이트 로드의 입사면을 오목한 골의 형태로 형성한다.

도 7은 이러한 라이트 로드의 빛의 굴절 정도를 설명하기 위한 도면이다. 도 7을 보면, 라이트 로드에 기존의 빛과 동일한 각도의 빛()(즉, 도 3 참조)이 들어왔을 때, 입사면의 노말 벡터(normal vector)가 도 7과 같이 기울어진 결과 입사각은이 되며, 출사각은이다. 그리고, 굴절된 각과 광축과의 각은가 된다.

따라서, 변형된 라이트 로드의 입사면의 수직 벡터와 광축과의 각도를 적당히 제어해줌으로써,를 적당히 작게 만들어줄 수 있다.

이때, 빛의 균질을 얻기 위해서는 라이트 로드 안에서 빛이 2-3번 반사되어야 하므로,의 각도에 따라 출사면에서의 균질을 얻을 수 있는 길이가 정해진다. 따라서, 최소의 각도를 가지기보다는 시스템에서 허용하는 길이에 따라 적당한를 구하면 된다.

한편, 도 4와 같은 조건으로 본 발명을 이용하여 시뮬레이션한 결과가 도 8에 도시되어 있다. 도 8을 도 4와 비교하면, 기존의 빛의 중심 각도가 11°였던 것이, 본 발명에서는 0°를 중심으로 퍼져 있으며, FWHM(Full Width Half Maximum)의 값이 기존에는 34°였던 것이 본 발명의 경우에는 20°로 줄어든 효과가 나타났다.

이것은 큰 효과로서, 전체 시스템의 콘트라스트는 입사하는 빛의 각도에 크게 의존하기 때문에 콘트라스트의 향상을 기대할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 라이트 로드의 입사면을 오목한 골의 형태로 형성하였지만, 도 9와 같이 볼록한 산의 형상도 가능하다. 즉, 라이트 로드의 입사면을 복수의 경사면을 갖는 산의 형태로 형성한다. 이때에는, 경사면이 볼록 렌즈처럼 라이트 로드의 바깥쪽으로 경사진다.

그리고, 이러한 경우에는 라이트 로드의 입사면을 타원경 램프의 초점보다 약간 뒤에 놓음으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

도 10은 라이트 로드의 입사면이 도 9와 같이 볼록한 산의 형상을 갖을 때,라이트 로드의 입사면에서의 빛의 굴절 경로를 보이고 있다.

한편, 상기된 예들은 오목 또는 볼록한 형상을 평면적으로 성형하였으나, 도 11 또는 도 12와 같이 렌즈 형상을 그대로 가지고 제작할 수도 있다. 도 11은 볼록 렌즈 형상의 라이트 로드의 예를 보이고 있고, 도 12는 오목 렌즈 형상의 라이트 로드의 예를 보이고 있다. 이때의 입사면에서의 굴절 경로는 도 7, 도 10과 같은 원리로 진행한다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 광학계 조명 장치에 의하면, 라이트 로드의 입사면을 오목한 골의 형태나 오목 렌즈 형상 또는, 볼록한 산의 형태나 볼록 렌즈 형상으로 형성함으로써, 라이트 로드는 빛의 균질과 성형을 해줌과 동시에 각도 분포를 줄여줄 수 있다. 이로 인해, 패널에 입사하는 각도가 줄어들므로 콘트라스트를 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 광원에서 발광되어 집속된 광이 입사되는 입사면과, 입사된 광이 전반사를 통해 진행되면 이를 출사하는 출사면을 구비한 광학 소자를 포함하는 광학계 조명 장치에 있어서,

   상기 광학 소자의 입사면을 비평면 형태로 형성하여 출사면에서의 빛의 각도를 줄이는 것을 특징으로 하는 광학계 조명 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 소자는 라이트 로드인 것을 특징으로 하는 광학계 조명 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 라이트 로드의 끝단에 형성되는 입사면이 적어도 하나의 골부를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광학계 조명 장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 라이트 로드의 끝단에 형성되는 입사면이 적어도 하나의 산부를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광학계 조명 장치.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 라이트 로드의 끝단에 형성되는 입사면이 오목 렌즈 형상으로 형성되는 특징으로 하는 광학계 조명 장치.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 라이트 로드의 끝단에 형성되는 입사면이 볼록 렌즈 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학계 조명 장치.