KR20030091223A - Pccr 적분기를 갖는 광학계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단판식 혹은 2판식 광학계에서 편광 변환과 동시에 컬러 리캡쳐링을 동시에 수행하는 적분기를 제공하기 위한 것으로서, 광원램프와 포물면 반사경으로 구성된 광원부와, 상기 광원부로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속을 P/S 분리하고 특정 편광 광속은 투과하고 나머지 편광 광속은 반사를 통해 위상을 변화시킨 후 재 투과시켜 하나의 편광 방향으로 유지하는 PCCR 적분기와, 상기 PCCR 적분기에서 출사되는 광속의 컬러를 분리 투과 및 반사하는 컬러 스크롤부를 포함하여 구성되어, 기존의 P/S 변환 장치보다 간단한 구조를 가지고 있어서 광학계의 경박 단순화는 물론 비용을 절감할 수 있으며, 광량의 증가를 통해 색순도를 높일 수 있다.

Description

PCCR 적분기를 갖는 광학계{optical system using Polarization Converting and Color Recapturing Integrator}
본 발명은 프로젝션 TV 또는 모니터에 적용되는 광학계에 관한 것으로, 특히 편광변환과 동시에 컬러 리캡쳐링(recapturing)을 동시에 할 수 있는 PCCR(Polarization Converting and Color Recapturing) 적분기(integrator)를 갖는 광학계에 관한 것이다.
기존의 프로젝션(projection) TV 혹은 모니터(monitor)에 적용되는 광학계는 크게 광원램프에서 방사되는 편광 방향이 불규칙한 광원(이하, 불규칙한 편광 광속이라 함)을 하나의 일치하는 한 종류의 편광 방향을 갖는 편광 광속으로 변환시키는 편광 변환부와, 상기 편광 조명장치에서 한 종류의 편광 방향을 갖고 방사되는 편광 광속을 반사형 또는 투과형 LCD를 통해 컬러 리캡쳐링을 수행하는 컬러 리캡쳐부로 구성된다.
도 1 은 일반적인 광학계에서 편광 변환부의 상세 구성도를 나타낸 도면이다.
도 1과 같이, 편광 변환부는 광원램프(11)와 포물면 반사경(12)으로 구성된 광원부(10)와, 제 1 광학요소(30)와, 제 2 광학요소(40)로 구성된 편광 발생부(40)로 구성된다.
그리고 상기 제 1 광학요소(30)는 직사각형 형상의 외형을 갖는 복수개의 광속 분할렌즈(31)가 매트릭스 형상으로 배열하여 구성되어 있고, 상기 제 2 광학요소(40)는 집광 렌즈 어레이(41), 차광판(44), 편광 분리 유니트 어레이(43), 선택 위상차판(45), 그리고 결합 렌즈(46)가 하나로 이루어진 복합체로 구성된다.
이와 같이 구성되는 편광 변환부는 광원부(10)에서 제 1 광학요소(30)로 입사한 불규칙한 편광 광속을 광속 분할 렌즈(31)에 의해 복수의 중간광속으로 분할된다.
이어 상기 분할된 복수의 중간광속은 편광 분리 유니트 어레이(43)에 의해 각각을 P편광 광속과 S편광 광속에 공간적으로 분리한 후, 선택 위상차판(45)에 의해 공간적으로 분리된 편광방향을 하나로 일치시킨다. 그리고 이렇게 일치된 편광 광속을 결합 렌즈(46)를 통해 조명영역(50)으로 유도시킨다.
그리고 상기 편광 변환부에서 유도된 일치된 편광 광속을 반사 또는 투과형 LCD를 통해 컬러 리캡쳐링을 수행한다.
도 2a, 2b 는 일반적인 컬러 리캡쳐링하는 컬러 리캡쳐부의 상세 구성도를 나타낸 도면이다.
도 2a는 투과형 LCD를 나타낸 도면으로, 상기 조명영역(50)을 통해 출사되는 광속은 먼저, 색광 분리수단인 적색광 반사미러(72)에서 청색 및 녹색광은 투과하고 적색광은 반사한다. 이어 반사된 적색광은 다음 단에 있는 반사미러(71)에서 반사되어 적색광용 액정부(61)에 도달한다.
한편, 상기 적색광 반사미러(72)에서 투과된 청색광 및 녹색광은 다시 색광분리 수단인 녹색광 반사미러(73)에 의해 녹색광은 반사되고, 청색광은 투과한다.
이어 반사된 녹색광은 녹색광용 액정부(62)에 도달하고, 상기 녹색광 반사미러(73)에 의해 투과된 청색광은 다음 단에 위치하는 반사미러(74)에서 반사되어 청색광용 액정부(63)에 도달한다.
그리고 상기 3개소 액정부(61)(62)(63)는 각각의 색광을 변조하여 각 색광에 대응한 화상 정보를 포함한 후에, 변조한 색광을 색광 합성 수단인 크로스 다이클로익 프리즘(60)에 입사되고, 상기 크로스 다이클로익 프리즘(60)은 각각의 변조광속을 합성하여 컬러화상을 형성한 후, 투사 광학계인 투사렌즈(70)에 의해 스크린(80)상에 확대 투영되어 투사화상을 형성한다.
도 2b는 반사형 LCD를 나타낸 도면으로, 상기 조명영역(50)을 통해 출사되는 광속은 먼저, 색광 분리수단인 청색광 반사미러(75)에 있어서 적색광 및 녹색광은 투과하고 청색광은 반사한다.
이어 반사된 청색광은 다음 단에 위치한 반사미러(77)로 반사되어 적색광용 PBS(94)에 반사되어 적색광용 액정부(95)에 도달한 후, 위상이 90도 반전된 후, 다시 적색광용 PBS(94)를 투과하여 크로스 다이클로익 프리즘(60)으로 입사된다.
한편, 상기 청색광 반사미러(75)에서 투과된 적색광 및 녹색광은 다시 색광 분리 수단인 녹색광 반사미러(76)에 의해 녹색광은 반사되고, 적색광은 투과한다.
이어 반사된 녹색광은 녹색광용 PBS(92)에 반사되어 녹색광용 액정부(93)에 도달한 후, 위상이 90도 반전된 후, 다시 녹색광용 PBS(92)를 투과하여 크로스 다이클로익 프리즘(60)으로 입사된다.
그리고 상기 녹색광 반사미러(76)에서 투과된 적색광은 적색광용 PBS(90)에 반사되어 적색광용 액정부(91)에 도달한 후, 위상이 90도 반전된 후, 다시 적색광용 PBS(90)를 투과하여 크로스 다이클로익 프리즘(60)으로 입사된다.
그리고 상기 크로스 다이클로익 프리즘(60)은 입사되는 각각의 변조광속을 합성하여 컬러화상을 형성한 후, 투사 광학계인 투사렌즈(70)에 의해 스크린(80)상에 확대 투영되어 투사화상을 형성한다.
이와 같이 구성되는 광학계는 디스플레이 디바이스(Display Device)인 액정부를 몇 개 사용하느냐에 따라 단판식, 2판식, 3판식으로 분류할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에서 나타내고 있는 광학계는 3판식 광학계를 실시예로 나타내고 있다.
그러나, 이와 같은 3판식 광학계는 크게 다음 세 가지 문제점을 가지고 있다.
첫 번째는 광학부품의 수가 너무 많고, 조명계 뿐만 아니라 광경로 차이를 보상하기 위한 릴레이(Relay)계까지 포함하고 있어서 복잡하며, 광학계의 크기 또한 커지는 문제점을 가지고 있다.
두 번째는 램프(Lamp)에서 출력된 적색(Red)광의 부족으로 인해 적색(Red)의 색순도가 저하되는데, 이로 인하여 색을 표현할 수 있는 능력 즉, 컬러 계조(Color gamut)의 넓이가 좁아지는 문제점을 가지고 있다.
마지막으로 세 번째는, 광학계의 주요 부품인 디스플레이 디바이스를 많이 사용함으로 인해 비용 상승 문제와 R, G, B 패널(Panel)의 얼라인먼트(Alignment)문제 등이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 2판식 혹은 단판식의 광학계를 사용하고 있으나, 이런 2판식 혹은 단판식 광학계는 공간적으로 컬러를 분리/합성하는 3판식과는 달리 하나의 액정부에 다수개의 컬러를 갖는 광을 입사시켜 컬러 스크롤(scroll) 장치인 컬러 드럼(drum), 컬러 휠(wheel), 혹은 컬러 스위치를 통해 시간적으로 컬러를 분리/합성한다.
이로써, 기존의 3판식 광학계와 비교해보면 광량이 부족해지는 문제를 가지게 된다.
즉, 만약 적색광만을 투과시키는 컬러 스크롤 장치의 영역에 녹색광 혹은 청색광이 비춰진다면 적색광 이외의 광은 상기 컬러 스크롤 장치에 흡수 또는 반사되어 손실되게 되므로 상기 컬러 스크롤 장치를 거쳐 투과되는 광량이 그 만큼 적어지게 된다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 단판식 혹은 2판식 광학계에서 편광 변환과 컬러 리캡쳐링을 동시에 수행하는 적분기를 구성하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 편광변환 및 컬러 리캡쳐링을 하는 과정에서 출력편광이 하나의 편광방향을 유지함으로써, 편광된 빛을 사용하는 LCoS 및 LCD를 사용하는 광학계에서 컬러 리캡쳐링이 가능하도록 하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 LCoS 및 LCD와 같이 편광된 빛을 사용하는 디스플레이 소자를 사용하여, 단판식 혹은 2판식 광학계에서 광량의 증가를 꾀하고, 아울러 증가된 광량을 이용하여 색순도를 높이는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단한 구조를 구현함으로써, 크기가 작은 광학계를 구현하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 편광변환 장치의 구조를 간단히 하여 저렴한 광학계를 구성하는데 있다.
도 1 은 일반적인 광학계에서 편광 변환부의 상세 구성도
도 2a, 2b 는 일반적인 컬러 리캡쳐링하는 컬러 리캡쳐부의 상세 구성도
도 3 은 본 발명에 따른 PCCR(Polarization Converting and Color Recapturing) 적분기를 갖는 편광 변환부를 나타낸 도면
도 4 는 본 발명에 따른 PCCR 적분기에서 반사형 편광판의 구조를 상세히 나타낸 도면
도 5 는 본 발명에 따른 PCCR 적분기에서 컬러 스크롤부의 구조를 상세히 나타낸 도면
도 6 은 본 발명에 따른 PCCR 적분기를 사용한 단판식 광학계의 구성도를 나타낸 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 광원부110 : 광원램프
120 : 포물면 반사경200 : PCCR 적분기
210 : 위상차판211 : 개구부
220 : 반사형 편광판230 : 반사면
300 : 컬러 스크롤부400 : 릴레이 렌즈
500 : 크로스 다이클로익 프리즘600 : 액정부
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 PCCR 적분기를 갖는 광학계의 특징은 광원램프와 포물면 반사경으로 구성된 광원부와, 상기 광원부로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속을 P/S 분리하고 특정 편광 광속은 투과하고 나머지 편광 광속은 반사를 통해 위상을 변화시킨 후 재 투과시켜 하나의 편광 방향으로 유지하는 PCCR 적분기와, 상기 PCCR 적분기에서 출사되는 광속의 컬러를 분리 투과 및 반사하는 컬러 스크롤부를 포함하여 구성되는데 있다.
이때, 상기 PCCR 적분기는 편광 방향이 불규칙한 광이 입사되는 작은 개구부와, 상기 광이 반사되도록 하는 반사면으로 이루어진 소정의 경로와, 상기 입사된 광의 출사면에 형성되어 P편광 광속과 S편광 광속으로 분리하여 반사 또는 투과시키는 반사형 편광판과, 상기 반사형 편광판과 마주보는 상기 소정 경로 내에 형성되어 상기 반사형 편광판에서 반사되는 광의 위상을 90도 변환시켜 반사시키는 위상차판을 포함하여 구성되는데 다른 특징이 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 PCCR 적분기를 갖는 광학계의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3 은 본 발명에 따른 PCCR(Polarization Converting and Color Recapturing) 적분기를 갖는 편광 변환부를 나타낸 도면이다.
도 3을 보면, 광원램프(110)와 포물면 반사경(120)으로 구성된 광원부(100)와, 상기 광원부(100)로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속을 P/S 분리하고 특정 편광 광속은 투과하고 나머지 편광 광속은 반사를 통해 위상을 변화시킨 후 재 투과시켜 하나의 편광 방향으로 유지하는 PCCR 적분기(200)와, 상기 PCCR 적분기(200)에서 출사되는 광속의 컬러를 분리 투과 및 반사하는 컬러 스크롤부(300)로 구성된다.
이때, 상기 PCCR 적분기(200)는 편광 방향이 불규칙한 광이 입사되는 작은 개구부(211)와, 상기 광이 반사되도록 하는 반사면(230)으로 이루어진 소정의 경로와, 상기 입사된 광의 출사면에 형성되어 P편광 광속과 S편광 광속으로 분리하여 반사 또는 투과시키는 반사형 편광판(220)과, 상기 반사형 편광판(220)과 마주보는 상기 소정 경로 내에 형성되어 상기 반사형 편광판(220)에서 반사되는 광의 위상을 90도 변환시켜 반사시키는 위상차판(210)으로 구성된다.
좀더 자세히 살펴보면, 상기 작은 개구부(211)를 통하여 편광 방향이 불규칙한 편광 광(240)이 입사되고, 그 광은 반사형 편광판(220)에 의해서 S편광 광속(250)은 통과시키고, P편광 광속(260)은 반사하게 된다. 이는 반사형 편광판의특성에 따라 S편광 광속을 반사시키고, P편광 광속을 통과시킬 수도 있다.
그리고 상기 반사되는 P편광 광속(260)은 소정 경로면에 위치하는 반사면(230)에 반사 또는 직접 앞단에 위치하는 위상차판(210)으로 입사되고, 상기 위상차판(210)은 입사되는 P편광 광속의 위상을 90도 변환하여 S편광 광속(270)으로 변환하여 반사시킨다.
이렇게 반사된 광속(270)은 다시 반사형 편광판(220)으로 입사되어 통과되게 된다.
그래서 상기 반사형 편광판(220)은 최종적으로 PCCR 적분기(200)를 통하여 출사되는 빛을 S파로 만들어주는 P/S 변환기의 역할을 수행하여 기존 FEL과 PBS 어레이(Array)를 사용하여 편광변환을 하는 것보다 간단한 구조를 가지며, 광학계 가격을 낮추게 된다.
도 4 는 본 발명에 따른 PCCR 적분기에서 반사형 편광판의 구조를 상세히 나타낸 도면으로, 넓은 판 위에 막대형태의 편광자가 소정 간격을 두고 일 방향으로 형성되어 있다.
이와 같은 반사형 편광판(220)은 PBS(Polarizing Beam Splitter) 등 P/S 파의 분리기능을 가진 것이면 어떤 것이든 사용가능하다.
도 5 는 본 발명에 따른 PCCR 적분기에서 컬러 스크롤부의 구조를 상세히 나타낸 도면이다.
컬러 휠(wheel)(300)은 도 5와 같은 형태를 가지며, 회전을 통해 PCCR 적분기(200)에서 출사되는 광에서 시간적으로 컬러 휠의 영역에 따라 컬러를 분리/합성및 반사시킨다.
그리고 상기 반사되는 광은 다시 PCCR 적분기(200)내로 되돌아간 후, 다시 PCCR 적분기(200)에서 반사되어 출사되는 광을 상기 컬러 휠(300)로 다시 입사되어 이용된다.
이로써, 기존 컬러 스크롤부에서 투과되는 광 이외의 광을 소멸시켜 광량이 부족해지는 문제를 해결할 수 있게된다.
즉, 적색광 만을 투과시키는 컬러 휠 영역에 녹색광 혹은 청색광이 비춰지면 적색광 이외의 광은 반사되어 상기 PCCR 적분기(200)로 입사된다.
그리고, 다시 PCCR 적분기(200)에서는 반사되어 녹색광 혹은 청색광을 다시 출사시킨다.
이때, 회전중인 컬러 휠(300)의 영역중 녹색광 혹은 청색광만을 투과시키는 영역에 상기 PCCR 적분기(200)에서 다시 출사되는 광이 비춰지면, 해당 광은 투과되고 나머지 광은 다시 반사되어 위의 과정을 반복하게 될 것이다.
이에 따라, PCCR 적분기(200)는 출력편광을 유지하며 컬러 휠에서 광의 손실을 최소화 할 수 있게 된다.
상기 PCCR 적분기(200)의 P/S 편광 변환과 컬러 리캡쳐링 효율(efficiency)을 이론적으로 계산하면 다음과 같다.
먼저, PCCR 적분기(200)로 입사되는 광은 모두 균일하게 분포(각도와 위치에 대하여)하며, 물질에 의해 흡수되는 빛은 없고, 반사형 편광판에 의해서 반사되는 광량이 50%, 투과되는 광량이 50%이고, PCCR 적분기(200) 내부를 지나는 동안 광은S파 성분이 50%, P파 성분이 50%가 된다고 가정한다.
이와 같을 때, PCCR 적분기(200)에 의해서 P/S변환이 되는 원리 및 P/S 변환량을 수식으로 표현하면 아래와 같다.
여기서 PCCR 적분기(200)로 입사하는 광량을 Ei라 하면, PCCR 적분기(200)의 작은 개구(211)를 통과한 광량, Eo는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
이때, 상기 a는 PCCR 적분기(200)의 개구 면적이고, a'는 PCCR 적분기(200)의 단면적이다.
또한, PCCR 적분기(200)를 통과한 P/S 변환 광량, Et는 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
그리고 컬러 휠(300)을 투과한 총 투과 광량, Ep는 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 3에서 R은 컬러 휠(300)의 구조에 따른 캡쳐링 효율이다.
위의 계산 결과를 이용하여 특정 디스플레이의 사이즈에 대하여 FEL & PBS 어레이와 PCCR 적분기를 설계한 결과, 위와 같이 수학식 1, 2, 3을 통해 PCCR 적분기(200)에 의해서 P/S 변환 효율을 시뮬레이션 해보면 아래와 같은 결과를 얻을 수 있다.
기존의 FEL & PBS 어레이 시스템의 효율은 54.843%이고, 상기 PCCR 적분기(200)의 효율은 60.673%로 광량의 증가를 가져오며, 아울러 이 증가된 광량을 이용하여 색순도를 높일 수 있게 된다.
이상에서와 같이 PCCR 적분기(200)는 P/S 변환 및 컬러 리캡쳐링을 동시에 가능하게 되며, 또한 컬러 캡쳐링 후에도 편광성분을 유지시킬 수 있으므로 편광된 광을 사용하여 디스플레이를 하는 소자인, LCoS와 LCD의 경우에도 사용이 가능하다는 장점을 가지게 된다.
또한, 기존의 P/S 변환장치보다 간단한 구조를 가지고 있어서 광학계의 구조를 단순화시킬 수 있다.
도 6 은 본 발명에 따른 PCCR 적분기를 갖는 단판식 광학계의 구성도를 실시예로 나타낸 도면이다.
도 6과 같이, 광원램프와 포물면 반사경으로 구성된 광원부(100)와, 상기 광원부(100)로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속을 P/S 분리하고 투과 및 반사를 통해 하나의 편광 방향으로 유지시키는 PCCR 적분기(200)와, 상기 PCCR 적분기(200)에서 출사되는 광속의 컬러를 분리 투과 및 반사하는 컬러 휠(300)과, 다음 단에 위치한 릴레이 렌즈(400)를 통해 입사되는 변조광속을 합성하여 컬러화상을 형성하는 PBS(500)와, 그리고 LCD 또는 LCos 패널인 액정부(600)로 구성된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 PCCR 적분기를 갖는 광학계는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에서 제안한 PCCR(Polarization Converting and Color Recapturing) 적분기를 갖는 광학계는 P/S 변환 및 컬러 리캡쳐링(Color Recapturing)을 동시에 가능한 효과가 있다.
둘째, 컬러 리캡쳐링 후에도 편광성분을 유지시킬 수 있음으로, 편광된 빛을 사용하여 디스플레이를 하는 소자인, LCoS 및 LCD의 경우에도 사용이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
셋째, 기존의 P/S 변환 장치보다 간단한 구조를 가지고 있어서 광학계의 경박 단순화는 물론 비용을 절감할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
넷째, 광량의 증가를 통해 색순도를 높일 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 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. 광원램프와 포물면 반사경으로 구성된 광원부와,
    상기 광원부로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속을 P/S 분리하고 특정 편광 광속은 투과하고 나머지 편광 광속은 반사를 통해 위상을 변화시킨 후 재 투과시켜 하나의 편광 방향으로 유지하는 PCCR 적분기와,
    상기 PCCR 적분기에서 출사되는 광속의 컬러를 분리 투과 및 반사하는 컬러 스크롤부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PCCR 적분기는
    편광 방향이 불규칙한 광이 입사되는 작은 개구부와,
    상기 광이 반사되도록 하는 반사면으로 이루어진 소정의 경로와,
    상기 입사된 광의 출사면에 형성되어 P편광 광속과 S편광 광속으로 분리하여 반사 또는 투과시키는 반사형 편광판과,
    상기 반사형 편광판과 마주보는 상기 소정 경로 내에 형성되어 상기 반사형 편광판에서 반사되는 광의 위상을 90도 변환시켜 반사시키는 위상차판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학계.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 반사형 편광판은
    판 위에 막대형태의 편광자가 소정 간격을 두고 일 방향으로 구성되고 그것을 포함하는 구조인 것을 특징으로 하는 PCCR 적분기를 갖는 광학계.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반사형 편광판은 PBS(Polarizing Beam Splitter)인 것을 특징으로 하는 PCCR 적분기를 갖는 광학계.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 컬러 스크롤부는 회전을 통해 상기 PCCR 적분기에서 출사되는 광에서 시간적으로 영역에 따라 컬러를 분리/합성 및 반사시키는 컬러 휠로 구성되는 것을 특징으로 하는 PCCR 적분기를 갖는 광학계.
  6. 불규칙한 편광 광속을 출사하는 광원부와,
    상기 광원부로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속을 P/S 분리하고 투과 및 반사를 통해 하나의 편광 방향으로 유지시키는 PCCR 적분기와,
    상기 PCCR 적분기와 일직선상에 위치하여 출사되는 광속의 컬러를 분리, 투과 또는 반사하는 컬러 휠과,
    상기 컬러 휠에서 출사되는 광을 합성하여 컬러화상을 형성하는 크로스 다이클로익 프리즘을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 PCCR 적분기를 갖는 광학계.
    상기 프리즘은 종원으로 만드는 것을 특징으로 하는 광학계.
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