KR20060021315A

KR20060021315A - 프레즈넬 렌즈, 프로젝션 스크린, 대응하는 프로젝션디바이스 및 시스템

Info

Publication number: KR20060021315A
Application number: KR1020057021956A
Authority: KR
Inventors: 아르노 슈베르트; 파스칼 베노이
Original assignee: 톰슨 라이센싱
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2006-03-07
Also published as: US7342728B2; CN100426006C; FR2855273A1; WO2004106992A2; JP2007504515A; EP1625426A2; WO2004106992A3; US20070091466A1; CN1791809A; MXPA05012445A

Abstract

본 발명은 프레즈넬 렌즈에 관한 것이다. 이 렌즈의 굴절력을 가진 각 구조는, 2개의 표면에 의해 한정되며, 제 2 표면은 입사 평면(P)에 대한 법선과 제 2 각(β)을 이룬다. 굴절력을 가진 적어도 2개의 구조 영역이 제공되며, 여기서 제 2 각(β)이 빔의 입사각(θ_int)과 같다. 각 제 1 표면은 이 영역에 따라 렌즈의 축에 평행하거나 평행하지 않은 방향을 따라 광을 굴절시킨다. 본 발명은, 또한 폴딩 미러와 프레즈넬 렌즈를 포함하는 시스템으로서 제 2 각이 프레즈넬 렌즈에서 반사한 후 이어서 미러에서 반사하여 얻어진 파라시틱 광선의 입사각과 같도록 이루어진, 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 스크린 및 대응하는 오버헤드 프로젝션 디바이스에 관한 것이다.

Description

프레즈넬 렌즈, 프로젝션 스크린, 대응하는 프로젝션 디바이스 및 시스템{FRESNEL LENS, PROJECTION SCREEN, CORRESPONDING PROJECTION DEVICE AND SYSTEM}

본 발명은 백프로젝션 시스템에 사용되도록 설계된 프레즈넬 렌즈 분야에 관한 것이다. 본 발명은 또한 백프로젝션 스크린, 백프로젝션 유닛, 및 대응하는 시스템에 관한 것이다.

백프로젝션 스크린은 주로 2개의 성분, 즉 광을 집광시키거나 시준하는 프레즈넬 렌즈와, 광을 뷰어에게 전달하는 렌즈 어레이를 포함한다.

표준 구성에서, 프로젝터는 스크린의 축 상에 배치된다. 프레즈넬 렌즈의 개구수(numerical aperture)는 약 0.6으로 제한된다. 이렇게 제한되는 주된 이유는 입사각이 높은 경우 프레즈넬 렌즈의 상승된 특성의 형상과 손실 때문이다.

더욱이, 콤팩트한 백프로젝션 시스템을 얻기 위해, 프로젝터와 백프로젝션 스크린 사이에 빔을 중첩(folding)하기 위해 편향 미러 시스템(도 1)이 제공된다. 이와 같은 프로젝터의 두께 또는 깊이는 스크린의 대각선의 1/3으로 줄어들 수 있다. 예를 들어, 16/9 포맷에서, 50인치 대각선 스크린에 대해 17인치의 두께를 얻을 수 있다.

텔레비전 백프로젝션 유닛의 두께를 더 줄이기를 원하는 경우, 예를 들어 백 프로젝션 스크린의 배면에 비축상 투사(off-axis projection)를 제공하는 것이 가능하다. 이 방식으로 스크린 대각선의 1/5만으로 유닛의 두께를 줄일 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 축상(on-axis) 백프로젝션 유닛과 비축상(off-axis) 백프로젝션 유닛을 각각 도시한다.

비축상 구성, 즉 스크린 상에 투사될 이미지가 프로젝터 물체의 축에 대해 중심이 벗어나 있는(off-centre) 구성에서 해결하고자 하는 주요 문제 중 하나는 스크린으로 투사되는 모든 광이 뷰어에게로 재전달되고 그리고 그 방출이 가능한 하게는 가장 균일한 것을 보장하는 방법에 있다. 특히 이것은, 프레즈넬 렌즈에 조사되는 광의 입사각이 증가할 때 증가하는 경향이 있는, 프레즈넬 렌즈 손실을 줄이는 것을 수반한다.

이 문제를 해결하기 위해 여러 가지 프레즈넬 렌즈 구조가 제안되었지만, 이미 알려진 구조는 일반적으로 프레즈넬 렌즈용으로 복잡한 부조 특징을 가지고 있어 렌즈를 제조하는 것이 상대적으로 곤란하고 값이 비싸다.

특허 출원 JP 59-000101은, 프레즈넬 렌즈를 구성하는 프리즘 면이 렌즈를 몰딩에 의해 제조할 때 렌즈를 용이하게 몰딩에서 분해할 수 있을 만큼 충분히 큰 각을 이루는 프레즈넬 렌즈를 개시한다. 보다 정확하게는, 위 문헌에서 이 렌즈의 각 구조의 면들 중 하나는 입사하는 광선에 평행하다. 그러나, 그러한 렌즈의 동작은 높은 입사각으로 조사될 때 그리고 이 각이 광범위한 각으로 변할 때에는 제한된다.

따라서, 본 발명은 산업적 규모로 제조하기에 간단하고 용이한 구조를 가지며 큰 입사각에서도 동작할 수 있는 프레즈넬 렌즈에 관한 것이다.

그리하여, 본 발명은, 프레즈넬 렌즈로서,

- 평면에 놓여있는 제 1 면과;

- 상기 제 1 면과 마주하며 상기 제 1 면에 평행한 제 2 면으로서, 굴절력을 가진 원형 동심 구조(circular concentric refractive structure)를 구비하는, 제 2 면

을 포함하는 프레즈넬 렌즈에 관한 것이다.

각 굴절력을 가진 구조는,

·굴절 디옵터(refractive diopter)를 형성하도록 의도되며 상기 평면(P)과 제 1 각(α)을 이루는 제 1 표면과,

·광학적 목적을 가지지 않으며 상기 평면에 대한 법선과 제 2 각(β)을 이루는 제 2 표면

으로 한정되며,

각 상기 구조는, 상기 평면에 대한 법선과의 각도가 제로(0)가 아닌 입사 각(θ_int)을 이루는 빔으로 조사되도록 의도되어 있다.

상기 제 2 면은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 중심과 상기 프레즈넬 렌즈의 주변 사이에 분포된 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 여러 개의 영역, 예를 들어, 적어도 2개의 영역(zone), 즉

‥ 상기 중심에 가까이 있는 제 1 영역으로서,

…각 제 1 표면의 제 1 각(α)은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조가 한정된 방향에 대해 제로 각(θ_out)을 이루는 방향을 따라 상기 빔을 굴절시키도록 이루어지며,

…각 제 2 표면의 제 2 각(β)은 상기 입사각(θ_int)과 동일한, 제 1 영역과;

‥ 제 2 영역으로서,

…각 제 1 표면의 제 1 각(α)은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조가 상기 한정된 방향에 대해 최대 값(θ_max)보다 더 작은 제로가 아닌 각(θ_out)을 이루는 방향을 따라 상기 빔을 굴절시키도록 이루어지며,

…각 제 2 표면의 제 2 각(β)은 상기 입사각(θ_int)과 동일한, 제 2 영역

을 구비하는, 적어도 2개의 영역을 구비한다.

대안적인 실시예에 따라, 상기 렌즈는 상기 프레즈넬 렌즈의 주변과 상기 제 2 영역 사이에 위치된 제 3 영역을 또한 포함하며,

상기 제 3 영역에서,

‥ 각 제 1 표면의 제 1 각(α)은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조가 상기 한정된 방향에 대해 상기 최대값(θ_max)과 같은 제로 아닌 각(θ_out)을 이루는 방향을 따라 광을 굴절시키도록 이루어지며,

‥ 각 제 2 표면의 제 2 각(β)은 상기 입사각(θ_int)보다 더 크게 되도록

이루어진다.

바람직한 실시예에 따라, 각 제 1 표면은 각 인접한 제 2 표면과 에칭 각(ζ)을 이루며, 이 에칭 각은 상기 제 2 영역과 상기 제 3 영역 모두에서 특정 값을 가지고 상기 제 1 영역에서는 이 특정 값보다 더 큰 값을 가진다.

다음 수식은 위에서 주어진 각(α, β, 및 ζ)의 정의로부터 직접 유도된다: ζ = β + π/2 -α. 제 1 영역에서, 본 발명은, α가 이 영역에서 상대적으로 작게 유지되기 때문에, 여전히 완전한 시준(θ_out = 0)을 유지하면서 제조 요건을 충족하는 최대 가능한 에칭 각을 제공한다. 이 영역에서, 이 에칭 각은 특정 값보다 더 크게 유지된다. 실제, 이 각은 일반적으로 70°보다 더 작다. 이 각은 또한 일반적으로 40°보다 더 클 수 있다. 본 발명의 하나의 특정 특징 부분에 따르면, 콤팩트한 프로젝션용으로 특히 적합한 각은 30°에서 40°사이의 범위이다.

제 2 영역에서, 완전한 시준을 얻는데 필요할 수 있는 각보다 약간 더 작은 각(α)은, 에칭 각(ζ)이 특정 값보다 더 크거나 또는 바람직하게는 이 특정값과 같도록 허용된다(제로는 아니지만 θ_max보다 더 작은 θ_out이 허용된다). 제 3 영역에서, 각(α)이 θ_max와 같은 출력 각(θ_out)에 대응하는 최대 값으로 완전한 시준을 얻는데 필요할 수 있는 각을 벗어난다 하더라도, 입사각에 대한 각(β)의 차이도 허용되지만, 여전히 에칭 각(ζ)이 다시 이 특정 값보다 더 크거나 또는 바람직하게는 이 특정값과 같도록 허용된다. 따라서, 본 발명은, 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 높은 에칭 각으로 인해 광학 성능의 최대 레벨과 제조 코스트의 최저 레벨 사이에 최적의 절충점을 제공하는 프레즈넬 렌즈를 제공할 수 있게 한다.

제 2 영역과, 적절한 경우, 제 3 영역 각각은 적어도 하나의 굴절력을 가진 원형 구조를 가지고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 프레즈넬 렌즈의 제 1 면은 바람직하게는 평면(plane)이다. 이 제 1 면은 또한 바람직하게는 입사 각이 큰 경우 특히 42°이상인 경우에 대해 최적화된 반사방지 코팅으로 덮혀있다.

굴절력을 가진 구조는 바람직하게는 원형이거나 거의 원형이다. 하나의 적용 방법에서, 이 렌즈를 조사하는 빔은 렌즈의 축이나 또는 거의 이 축 상에 위치된 (광학 수차가 없는 경우) 한 점으로부터 오거나 (광학 수차가 있는 경우) 거의 한 점 같은 영역으로부터 발산하며 온다.

바람직하게는, 에칭 각(ζ)의 상기 특정 값은 70°보다 더 작다. 바람직하게는, 이 에칭 각(ζ)은 거의 30°에서 50°사이의 범위이다. 일 실시예에 따라, 이 에칭 각은 60°이거나 또는 55°와 65°사이의 범위에 있다.

본 발명의 바람직한 특징 부분에 따라, 프레즈넬 렌즈는 상기 렌즈의 축으로부터 렌즈 상의 한 점까지의 거리에 대한 상기 렌즈 상의 이 점과 연관된 초점 거리의 비를 최대 2배 한 것과 같은 개구수(또는 f-수)가 0.55 이하인 것을 특징으로 한다. 그리하여, 사용되는 이미지 광학 빔에 대해 상대적으로 높은 최대 입사각(예를 들어 0.55 이하의 개구수에 대해 42°이상과 같은 입사각)을 얻을 수 있다. 이것은 상대적으로 평면 백프로젝션 유닛을 제조할 수 있게 한다.

본 발명은 입사 면과 뷰어 쪽으로 향하는 출사 면을 구비하는 이미지 백프로젝션 스크린에 적용가능하다. 위에서 한정된 프레즈넬 렌즈는 스크린의 입사 면을 따라 배치되며, 상기 렌즈의 입사면은 상기 스크린의 출사 면 쪽으로 향하는 굴절력을 가진 구조를 지지한다.

본 발명은, 또한 이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템으로서,

- 이미지 빔을 생성하는 소스와;

- 프레즈넬 렌즈와;

- 상기 이미지 빔을 다시 상기 프레즈넬 렌즈로 전달하도록 설계된 이미지 빔 편향 미러

를 포함하는, 이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템에 관한 것이다.

상기 프레즈넬 렌즈는,

- 평면(P)에 놓여있는 제 1 면(f1)과;

- 상기 제 1 면과 마주하며 상기 제 1 면에 평행한 제 2 면으로서, 굴절력을 가진 원형 동심 구조를 구비하는, 제 2 면

을 포함한다.

각 굴절력을 가진 원형 동심 구조는, 굴절 디옵터를 형성하도록 의도되며 상기 평면(P)과 제 1 각(α)을 이루는 제 1 표면(b)과, 광학적인 목적을 가지지 않으며 상기 평면(P)에 대한 법선과 제 2 각(β)을 이루는 제 2 표면으로 한정된다.

이 시스템은, 구조의 제 1 세트를 형성하는 상기 구조의 적어도 하나의 부분이,

‥ 상기 이미지 빔으로부터 방출되며 상기 제 1 면에서 반사되지 않은 다이렉트 빔(direct beam)이라고 불리우는 제 1 빔으로서, 상기 다이렉트 빔은 상기 프레즈넬 렌즈를 통해 전달되는 상기 다이렉트 빔에 의해 제 1 입사 빔을 형성하는, 제 1 빔과;

‥ 상기 이미지 빔으로부터 방출되며 상기 제 1 면에서 반사된 후 편향 미러에서 반사된 파라시틱 빔(parasitic beam)이라고 불리우는 제 2 빔으로서, 상기 파라시틱 빔은 상기 프레즈넬 렌즈를 통해 전달되는 상기 파라시틱 빔에 의해 제 2 입사빔을 형성하는, 제 2 빔

으로 조사되도록 의도된 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 입사빔은 상기 평면(P)에 대한 법선과 제로가 아닌 각인 입사각(θ'_int)을 이룬다.

바람직하게는, 상기 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)은 10도 보다 더 작은 상기 제 2 입사 광선의 상기 입사각(θ'_int)보다 더 크다. 더구나, 상기 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)은 상기 제 2 입사 광선의 상기 입사각(θ'_int)에 2도를 더한 각과 같은 상한(upper limit)보다 더 작다.

따라서, 본 발명은, 투사되는 이미지의 품질을 손상시키지 않으면서 폴딩 미러와 프레즈넬 렌즈를 공동으로 사용할 수 있다.

나아가, 제 1 입사빔과 대부분의 제 2 입사빔은 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 제 2 면을 직접 치지(strike) 않고, 오히려 이들 빔은 제 1 면을 친다. 마찬가지로, 제 1 입사빔은 잠재적인 뷰어 쪽으로 우선된 방향을 따라 굴절된다. 그러나, 제 1 입사빔과는 다른 입사각으로 제 1 면을 치는 파라시틱 빔에 대응하는 제 2 입사빔은 다른 방향으로 굴절되며, 그래서 뷰어는 일반적으로 이 빔을 보지 못한다. 따라서, 이미지의 품질은, 프레즈넬 렌즈의 제조를 여전히 용이하게 하면서도, 특히 사용되는 이미지 빔이 렌즈의 제 1 면에서 반사된 후 폴딩 미러에서 반사되어 얻어진 파라시틱 광선으로부터 발생하는 환영 이미지를 제거하거나 또는 크게 저감시킴으로써 개선된다.

나아가, 파라시틱 광선을 제거하면서 렌즈의 가공(이로 인해 작업 공정이 증가함)이 이로 인해 용이해진다.

본 발명의 하나의 특정 특징 부분에 따라, 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)은 5도 보다 더 크다. 바람직하게는, 상기 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)은 10°보다 더 크다.

바람직한 특징에 따라, 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)은 제 2 입사 광선의 입사각(θ'_int)과 같다.

바람직하게는, 상기 프레즈넬 렌즈는,

- 상기 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)이 상기 제 2 입사 광선의 상기 입사각(θ'_int) 이하인, 제 1 부분과;

- 구조의 제 2 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)이 상기 제 1 입사 광선의 상기 입사각(θ_int)과 같은, 제 2 부분

을 구비하는 적어도 2개의 부분을 포함한다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 제 2 부분은 입사 광선이 렌즈의 제 1 면에서 반사한 후 폴딩 미러에서 반사하여 얻어진 파라시틱 광선이 치지 않은 2개의 부분, 즉

- (이미지 빔이 하부에서 위 쪽으로 향하는 구성에서) 하부 입사 빔에 대응하는 최저 반사된 광선 아래에 위치된 렌즈의 축에 가까이 있는 영역과;

- 이미지 빔을 중첩시키기 위해 바람직하게는 사용되는 부분으로 제한되는 사이즈를 갖는, 폴딩 미러에서 반사된 마지막 광선 위에 위치된 렌즈의 주변 영역

으로 분할된다.

본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따라, 제 2 부분은 모두 하나의 블록으로 구성되며 주변 영역만을 포함한다. 이 렌즈는, 예를 들어, 렌즈의 축에 가까운 영역을 포함하며, 여기서 구조의 제 2 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)은, 미리 특정된 값 이하이거나 또는 소스로부터 발생하는 이미지 빔이 프레즈넬 렌즈의 아래 연장부와, 또한 폴딩 미러의 아래 연장부에서 반사되었다면 생성될 수 있는 제 2 입사 광선의 입사각(θ_int) 이하이다.

본 발명의 하나의 특정 특징 부분에 따라, 상기 제 2 면은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 중심과 상기 프레즈넬 렌즈의 주변 사이에 분포된 굴절력을 가진 구조의 적어도 2개의 영역(zone), 즉

- 상기 중심에 가까이 있는 제 1 영역으로서, 각 제 1 표면의 제 1 각(α)은, 상기 굴절력을 가진 구조가 한정된 방향(XX')에 대해 제로 각(θ_out)을 이루는 방향을 따라 상기 제 1 입사빔을 굴절시키도록 이루어지는, 제 1 영역과;

- 제 2 영역으로서, 각 제 1 표면의 제 1 각(α)은, 상기 굴절력을 가진 구조가 상기 한정된 방향(XX')에 대해 최대 값(θ_max)보다 더 작은 제로가 아닌 각(θ_out)을 이루는 방향을 따라 상기 제 1 입사빔을 굴절시키도록 이루어지는, 제 2 영역

을 구비한다.

바람직하게는, 이 시스템은, 또한 상기 프레즈넬 렌즈에서 굴절된 제 1 입사 광선에 투명한 필터링 수단으로서 상기 프레즈넬 렌즈와 병렬 배치되며 상기 프레즈넬 렌즈에서 굴절된 제 2 입사 광선을 필터링하는 필터링 수단을 구비하는 렌티큘러 스크린(lenticular screen)을 더 포함한다. 그리하여, 출사하는 파라시틱 광선의 대부분, 특히 제 1 면을 통해 입사하는 제 2 광선의 투과에 대응하는 광선이 제거된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 이 시스템은, 입사면과 뷰어 쪽으로 향하는 출사면을 포함하는 이미지 백프로젝션 스크린을 포함하며, 상기 스크린은 상기 프레즈넬 렌즈를 포함하며, 상기 프레즈넬 렌즈는 상기 스크린의 입사면을 따라 배치되며, 상기 렌즈의 입사면은 상기 스크린의 출사면 쪽으로 향하는 굴절력을 가진 구조를 지지한다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 프레즈넬 렌즈의 축으로부터 렌즈 상의 한 점까지의 거리에 대한 렌즈 상의 이 점과 연관된 초점 거리의 비를 최대 2배한 것과 같은 개구수(또는 f-수)는 0.55 이하이다.

따라서, 본 발명은 특히 얇은 프로젝터에 적합하다.

본 발명은, 또한, 상기 백프로젝션 스크린 또는 상기 프로젝션 시스템과; 입사면 쪽으로 광빔을 방출하는 프로젝터를 포함하는 백프로젝션 유닛에 적용가능하다. 이 프로젝터는 바람직하게는 프레즈넬 렌즈의 축 상에 배치되며, 그 축 상의 일 측에 위치된 프레즈넬 렌즈의 한 부분만으로 이미지를 투사한다.

일 실시예에 따라, 상기 프로젝터 물체의 동공(pupil)은 거의 프레즈넬 렌즈의 축 상에 배치되며 이 물체의 광학축은 프레즈넬 렌즈의 축의 일 측에 위치된 프레즈넬 렌즈의 사용되는 부분 쪽으로 향해 있다.

본 발명의 여러 가지 측면과 특징적 부분은 이하 상세한 설명 및 첨부 도면에서 보다 명확히 알 수 있을 것이다.

도 1, 도 2a, 및 도 2b는 종래 기술에 알려져 있는 전술된 백프로젝션 시스템의 예를 도시하는 도면.

도 3a 및 도 3b는 본 발명이 적용되는 프레즈넬 렌즈의 일례를 도시하는 도면.

도 4a 및 도 4b는 본 발명을 설명하기 위한 도면.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따라 제조된 프레즈넬 렌즈의 일례를 도시하 는 도면.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따라 프레즈넬 렌즈를 특징으로 하는 각의 값을 예시하는 그래프를 도시하는 도면.

도 7은 본 발명에 따라 프레즈넬 렌즈에 의해 p 편광광 및 s 편광광의 투과를 예시하는 그래프를 도시하는 도면.

도 8은 백프로젝션 유닛에 적용된 본 발명에 따른 프레즈넬 렌즈의 일례를 도시하는 도면.

도 9 및 도 10은 본 발명의 일 특정 실시예에 따른 백프로젝션 유닛을 도시하는 도면.

도 11 및 도 15는 도 9 및 도 10의 백프로젝션 유닛에 사용되는 스크린을 상세히 도시하는 도면.

도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 백프로젝션 유닛을 도시하는 도면.

도 12는 도 13 및 도 14의 백프로젝션 유닛에서 프레즈넬 렌즈를 특징으로 하는 각의 값을 예시하는 그래프를 도시하는 도면.

본 발명에 따른 프레즈넬 렌즈를 이제 설명한다.

도 3a는 동심 프리즘 형상을 갖는 굴절력을 가진 구조를 포함하는 프레즈넬 렌즈(FL)를 도시한다. 이 도 3a에서 볼 수 있는 바와 같이, 렌즈의 원형 평면 중 일반적으로 절반보다 더 작은 한 부분만이 사용된다. 도 3b는 이 렌즈(FL)가 평면 에 놓여있는 평면 제 1 면과 이 제 1 면과 마주하며 이 제 1 면에 평행하며 굴절력을 가진 원형 동심 구조(circular concentric refractive structure)를 구비하는 제 2 면을 포함하는 것을 도시한다. 제 1 면은 렌즈의 광학 축(XX') 위에 위치된 소스(PR)에 의해 조사되지만, 이 소스의 측방향 필드 중 단 한 부분만이 이 렌즈를 조사한다. 도 3b에서, 이 소스(PR)는 렌즈(FL)의 축(XX')에 위치하며 XX' 축 위에 있는 렌즈의 한 부분만을 조사한다. 이 소스는 렌즈에 대해 비스듬한 각으로 렌즈를 조사한다. 조사 빔의 하부 광선(30)은 프레즈넬 렌즈에 대해 입사각(θ_ext)이 상대적으로 작은 반면, 빔의 상부 광선(31)은 입사각(θ_ext)이 크다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 굴절력을 가진 각 원형 동심 구조 요소는, 도 4a 및 도 4b의 구조 내에서는 광학적으로 사용되지 않는 표면(c)(또는 면 c)과, 이 구조의 굴절 디옵터(refractive diopter)를 구성하는 표면(b)(또는 면 b)으로 한정된다. 이 실시예에 따라, 프레즈넬 렌즈는, 기준 평면(P)이나 입사 평면에 평행한 입사 면으로 기능하는 평면 면(a)과, 렌즈의 우측에 위치되며 면(b) 및 면(c)으로 각각 한정된 굴절력을 가진 구조를 지지하는 면에 의해 한정된다.

이후 설명에서,

- α는 프레즈넬 렌즈의 입사 평면과 면(b)이 이루는 각을 나타낸다.

- β는 입사 평면에 대한 법선과 면(c)이 이루는 각을 나타낸다.

- θ_ext는 프레즈넬 렌즈의 평면 입사면(a)에 대한 광선의 입사각을 나타낸다.

- θ_int는 프레즈넬 렌즈의 평면 입사면(a)을 통해 굴절된 후 입사평면(또는 프레즈넬 렌즈의 입사면)의 법선과 광선이 입사하는 각을 나타낸다.

- ζ는 가공 각 또는 제조 각이라고 불리울 수 있는 2개의 면(b) 및 면(c) 사이의 각을 나타낸다.

- h 는 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 높이를 나타낸다.

도 4a에 점선으로 도시된 종래 구조에서, c와 같은 면은 입사평면(P)에 대한 법선과 약 3°의 각(β)을 이룬다. 이러한 구조는 큰 높이(h)와 낮은 각(ζ)을 갖는 좁은 프리즘 굴절 요소를 가지며 그리하여 대량으로 이를 제조하는 것이 곤란하다.

따라서, 일반적으로, 본 발명은 굴절력을 가진 각 원형 동심 구조에 대해 면(c)이 굴절력을 가진 원형 동심 구조가 수신하는 광선과 평행하도록 값을 각(β)에 제공하는 것을 목적으로 한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 높이는 높이(h')로 저감되고 각(ζ)은 상당히 더 커진다. 그리하여 프리즘 요소는 제조하기에 더 용이하다.

나아가, 도 3b에 도시된 바와 같은 하나의 적용 구조에서, 소스(PR)에서 방출되는 발산 빔을 사용하여 프레즈넬 렌즈로부터의 출력으로서 예를 들어 방향(XX')을 따라 시준된 시준 빔을 얻기를 원하는 경우, 굴절력을 가진 각 원형 동심 구조의 면(b)은 이 면이 수신하는 광선의 각(θ_int)의 함수인 각(α)을 이루어야 한다.

그와 같은 결과를 얻기 위해, 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 각 면(b)은,

α = arcsin{(nsinθ_int)/[(1-ncosθ_int)² + (nsinθ_int)²] ^1/2}

이 되도록 각(α)의 값과 연관된다.

프리즘형의 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 면(b) 및 면(c) 사이의 각(ζ)은 제조 제한값(ζ_lim)(도 5a) 이상의 값을 가져야 하며, 그 이하인 경우 프리즘 요소를 경제적으로 제조하는 것이 특히 곤란할 수 있다. 이 제조 제한 값(ζ_lim)은 특히 사용되는 제조 공정에 따라 그리고 렌즈의 사이즈에 따라 다르다.

그러나, θ_int가 너무 크게 되면, 각(ζ)의 값은 값(ζ_lim)보다 더 작게 될 위험이 있다. 이 제한 값 이하로 떨어지지 않기 위하여, 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 각 면(b)의 각(α)은, 이 면이 수신하는 광선의 각(θ_int)이 증가하는 경우에도 조정되어야 한다. 그래서 굴절된 광은 XX' 방향과 더 이상 평행하지 않다. 도 5b에 도시된 바와 같은 동작이 얻어진다.

그러나, 출력으로서 이렇게 얻은 발산은, 투과되는 빔의 품질이 저하하지 않도록 허용가능한 한계 내에 유지되어야 한다. 따라서 입사각(θ_int)이 더 큰 경우에는, 입사각(θ_int)에 따라 그리고 출력 빔의 발산각(θ_max)을 제한하는 각(α)을 허용할 필요가 있다. 그러나, 이 각(ζ)을 제조 제한값(ζ_lim)으로 유지하기 위해, 각 면(c)은 각(α)의 함수인 입사평면의 법선과 각(β)을 이루는 것이 허용되어야 한 다. 이것은 β = ζ_lim - 90 + α를 의미한다(도 5c).

도 5d는 도 5a 내지 도 5c의 3가지 구조를 병합하는 프레즈넬 렌즈를 도시한다.

소스(PR)로부터 오는 광의 입사각이 최소가 되는, 프레즈넬 렌즈의 광학 중심 부근에 위치된 제 1 영역(Z1)에는, 도 5a에 도시된 타입의 구조가 제공된다. 다음으로, 중간 영역(Z2)에는, 도 5b에 있는 구조와 같은 구조가 제공된다. 마지막으로, 소스(PR)로부터 광의 입사각이 최대가 되는, 렌즈의 광학 중심으로부터 가장 멀리 떨어진 영역에는, 도 5c에 도시된 타입의 구조가 제공된다.

따라서 프레즈넬 렌즈의 제 2 면에 대한 광의 입사각(θ_int)의 함수로서 각(α, β, 및 ζ)의 값은 다음과 같다:

영역 Z1 :

α = arcsin{(nsinθ_int)/[(1-ncosθ_int)² + (nsinθ_int)²] ^1/2};

β = θ_int;

ζ = 90 - α + β, 및 ζ ≥ζ_lim.

이 영역(Z1)에서, 출력 빔은 XX' 축에 평행하다. 이 빔의 출력 각(θ_out)은 평면(P)의 법선에 대해 제로(0), 즉 θ_out=0°이다. 이 각 (ζ)은 제한값(ζ_lim)보다 더 작다.

영역 Z2 :

α = 90 - ζ_lim + β;

β = θ_int;

ζ = ζ_lim.

이 영역(Z2)에서, 출력 빔은 미리 설정된 최대 값(θ_max)보다 더 작은 발산 각(θ_out)으로 XX' 축의 방향에 대해 약간 발산된다. 이 각(ζ)은 또한 제한값(ζ_lim)과 같다.

영역 Z3 :

α = arctan[(nsinθ_int - sinθ_max)/(ncosθ_int - cosθ_max)]

여기서 θ_max는 출력 빔의 발산각의 최대 허용가능한 값이다;

β = ζ - 90 + α;

ζ = ζ_lim.

이 영역(Z3)에서, 빔은 미리 설정된 최대 발산 각(θ_max)과 같은 발산 각(θ_out)(θ_out = θ_max)으로 XX' 축의 방향에 대해 약간 발산된다. 이 각(ζ)은 또한 가공(또는 작업공정) 제한값(ζ_lim)과 같다.

이 마지막 영역(Z3)에서, 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 면(c)에 광의 작은 부분을 반사하는 것으로 인해 약간의 손실이 있다는 것을 유념해야 한다.

일 실시예로서, 초점 거리 462mm이고 조명 소스(PR)가 410mm만큼 스크린의 축에서 벗어나 있으며, 직경이 1.81미터인 "렌즈"(몰드)에서 제조된 1107mm ×622mm의 크기를 갖는 16/9 포맷의 프레즈넬 렌즈에 대해, 12°와 63°사이에서 변하는 외부 입사각(θ_ext)을 가지는 것이 가능하다.

도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 연속적인 라인으로서 각(θ_ext)의 함수로서 각(ζ, α, 및 β)의 값을 각각 제공하는 그래프(604, 614, 및 624)를 도시한다. 이들 그래프는 θ_max = 5°보다 더 작은 θ_out 값에 대해 그리고 60°와 같은 ζ_lim 값에 대해 주어진 것이다. 물론, ζ_lim은 본 발명의 여러 실시예에 따라 다른 값, 예를 들어 30°와 50°사이의 값을 가질 수 있다. 입사각(θ_ext)의 값은 x-축(축 600) 상에 도시된다. 이 각(ζ, α, 및 β)의 값은 각 y-축(각각, 축 601, 축 611, 및 축 621)에 도시된다.

빗금친 라인으로 도시된 것은 종래의 프레즈넬 렌즈에 대응하는 변형 그래프(602, 612, 622)인 반면, 각각 ζ와 β 그래프에서 점선(603, 623)으로 도시된 것은 변형 그래프의 절단 부분이다.

이들 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 0°< θ_ext < 28°인 영역은 전술된 영역(Z1)에 대응한다.

θ_ext가 28°와 35°사이에 있는 영역은 영역(Z2)에 대응한다.

θ_ext가 35°와 63°사이에 있는 영역은 영역(Z3)에 대응한다.

도 7은 본 발명에 따른 프레즈넬 렌즈에 의한 p 편광광 및 s 편광광의 투과 효율을 도시하는 그래프를 제공한다.

x 축(축 70)에는 입사각 (θ_int)이 도시되며, y 축(축 71)에는 투과 효율이 도시된다.

상부 2개의 그래프(73, 75)는 p 편광광의 투과를 보여준다. 점선 그래프(73)는 표준 렌즈에 따른 투과를 보여주며, 빗금친 그래프(75)는 본 발명에 따른 렌즈를 통한 투과를 보여준다. θ_ext = 40°까지, 그 효율은 동일하며, 이들 효율은, 본 발명에 따른 렌즈에서 허용가능한 비율 내에서 약간 저하하는 것을 볼 수 있다.

하부 2개의 그래프(72, 74)는 s 편광광의 투과를 보여준다. 연속하는 라인 그래프(72)는 표준 렌즈에 관한 것이며, 원으로 둘러싸인 그래프(74)는 본 발명에 따른 렌즈에 관한 것이다. 30°까지는 그 효율이 동일하다는 것을 알 수 있다. 30°와 45°사이에서는, 본 발명에 따른 렌즈의 효율이 더 우수하다. 45°이상에서는 그 효율이 동일하다.

전반적으로, 본 발명에 따른 렌즈의 효율은 종래의 렌즈만큼이나 우수하다. 그러나, 본 발명에 따른 프레즈넬 렌즈는 입사각이 높은 조명 하에서 동작하며 그 제조는 이 각(ζ)이 비교적 높기(약 60°) 때문에 까다로운 문제를 야기하지 않는다.

프레즈넬 렌즈는 보다 구체적으로 백프로젝션 스크린에 적용가능하다. 도 8은 백프로젝션 유닛을 보여준다. 평면(P)에 평행하게 배치된 본 발명에 따른 프레 즈넬 렌즈(FL)는 스크린과 마주하여 배치된 굴절력을 가진 구조를 지지하는 면을 갖는 백프로젝션 스크린(BS)과 병렬 배치된다. 이 렌즈(FL)의 평면 면은 프로젝터(PR)에 의해 조사되며, 이 프로젝터는 렌즈의 광학 축(XX')을 따라 렌즈 아래에 위치되며, 이 도면에서는 렌즈의 사용되는 부분만, 즉 비교적 입사각이 높은 경우에 렌즈를 조사하는 프로젝터(PR)가 조사하는 부분만이 도시되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 물체의 광학 축은 렌즈의 축(XX')과 동일선상에 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 물체의 동공(pupil)은 프레즈넬 렌즈의 축(XX') 상에 위치된다. 그러나, 물체의 축은 프레즈넬 렌즈의 축(XX')과 동일선상에 있지 않다. 예를 들어, 물체는, 그 축이 프레즈넬 렌즈의 사용되는 부분의 중심, 즉 스크린의 중심을 통과하도록 배향될 수 있다. 물론, 이 렌즈는 물체에 의해 제공되는 이미지에 이 이미지의 평면에 위치된다. 이 구성은 예를 들어 도 8에 도시되어 있다.

도 9는 프레즈넬 렌즈(54)의 평면 면에서 반사된 후 폴딩 미러(53)에 반사되어 파라시틱 광선(parasitic ray)이 생성될 때 보일 수 있는 파라시틱 이미지를 제거하는데 특히 적합한 본 발명의 일 실시예에 따른 백프로젝션 유닛(5)을 도시한다. 본 발명의 이러한 대안적인 실시예는 또한 고품질의 이미지를 제공하는 특히 콤팩트한 백프로젝션 유닛 및 또한 제조하기 용이한 대응하는 프레즈넬 렌즈를 제조하기에 매우 적합하다.

보다 정확하게는, 백프로젝션 유닛(5)은 이미지 소스(PR)(동공 중심)로부터 제 1 폴딩 미러(52) 쪽으로 그후 제 2 폴딩 미러(53) 쪽으로 {유닛(5)을 콤팩트하게 하기 위해} 및 프레즈넬 렌즈(54) 쪽으로 이미지 빔을 방출하는 물체(51)를 포함하는 이미지 수단(imaging means)(50)을 포함한다. 이 유닛(5)의 스크린은 프레즈넬 렌즈(54)와, 블랙 매트릭스(58)(파라시틱 광선을 필터링하는 수단을 형성함)와, 확산기(59)를 포함한다.

이미지 빔은, 프로젝션 스크린과 일치하는 직사각형 단면을 구비하며, 물체(51)의 광학 축에 대해 그 축이 벗어나 있는(off-axis) 광선(52)의 축에 대해 광선(57)에 의해 아래 부분에서 그리고 광선(56)에 의해 위 부분에서 제한된다. 기술된 실시예에 따라, 이미지 빔의 입사각은 특히 높다는 것을 유념해야 한다.

도 10은 이미지 빔의 특정 광선의 전파 경로를 상세히 도시한다. 따라서, 2개의 입사 광선, 즉

- 실선으로 도시된 이미지 빔 부분을 형성하는 다이렉트(direct) 입사광선(62)과,

- 점선으로 도시된 파라시틱 빔(parasitic beam)에 속하는 파라시틱 입사광선(60)

이 프레즈넬 렌즈(54) 상의 한 점(N)에 도달한다.

다이렉트 입사광선(62)은 2번의 연속적인 반사 후에 물체(51)를 통해 소스(PR)로부터 폴딩 미러(52, 53) 상으로 각각 도착한다. 파라시틱 입사 광선(60)은 점(N')에서 프레즈넬 렌즈(54)의 평면 면에서 다이렉트 입사광선(61)이 반사한 후 점(N")에서 폴딩 미러(53)에서 반사하여 얻어진다.

도 11은 프레즈넬 렌즈(54)의 하나의 영역을 상세히 도시한다. 이 도 11에서, 면(a, b, c)에 대한 표기와, 또한 각(α, β, ζ, ζ_lim)에 대한 표기는 도 4b에 대해 도시된 것과 동일하다.

프레즈넬 렌즈(54)의 실시예에 따라, 프레즈넬 렌즈의 제 1 영역에서, 이 영역의 굴절 디옵터(refractive diopter)의 면(c)은 프레즈넬 렌즈(54)의 평면 면(110)에서 파라시틱 입사 광선(112)이 반사하여 얻어진 파라시틱 입사광선(1120)의 입사빔과 평행하다. 그리하여, 각(β)은 파라시틱 입사광선(1120)의 입사각(θ'_int)와 같다.

본 영역에서, 이미지 입사광선(113)은, 평면 면(110)에 입사함으로써 2개의 광선으로 분할되는데, 즉 평면 면(110)에서 광선(113)이 반사하여 얻어진 이미지 입사광선(1130)과, 평면 면(110)에서 반사하여 얻어진 파라시틱 광선(1132)으로 분할된다. 입사광선(113)과 파라시틱 광선(1132)은 평면 면(110)에 대한 법선과 각(θ_ext1)을 이룬다. 입사광선(112)은 θ_ext1보다 더 작은 각(θ'_ext1)을 이룬다.

이미지 입사광선(1130)은 θ'_int보다 더 큰 입사각(θ_int)을 이룬다(θ_int 및 θ'_int는 프레즈넬 렌즈에 사용되는 물질의 굴절률의 함수로서 각(θ_ext1 및 θ'_ext1)에 직접 좌우된다). 따라서, 이 광선은 그 굴절 디옵터의 면(b)을 치며 면(b)에서 굴절된 후 XX' 축에 평행한 출력 광선(1131)을 형성한다{출력 각(θ_out)은 제로이다}.

기술된 실시예에 따라, 면(c)은 파라시틱 입사광선(1120)에 평행하므로, 이 파라시틱 입사광선은 또한 그 굴절 디옵터의 면(b)을 치며 면(b)에 의해 굴절된 후 XX' 축에 평행하지 않은 출력 광선(1121)을 형성한다{출력 각(θ'_out)은 제로가 아니다}.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 각(β)은 θ'_int에서 10도를 뺀 각과 같은 하한(lower limit)과, 이 θ'_int에 2도를 더한 각과 같은 상한(upper limit) 사이에 놓여 있다. 따라서, 10도의 공차가 이 빔의 개구에 제공된다. 약 2°정도의 파라시틱 빔에 대한 공차도 허용된다. 각(β)은 입사각(θ'_int)에 2°를 더한 각보다 더 작으므로, 대부분의 파라시틱 광선은 제거된다. 본 발명의 다른 실시예에 따라, θ'_int에서 5°보다 더 작은 각과 같은 하한과 더 타이트한 공차도 고려된다. β가 더 커질수록 가공이 더 용이해 진다. β가 더 작아질수록 파라시틱 광선이 더 많이 제거된다. 더구나, (특정 하한에 대응하는 위 실시예와 결합될 수 있는) 또 다른 실시예에 따라, 상한은 폴딩 미러(53)에서 반사되어 얻어진 모든 파라시틱 광선을 제거하기 위하여 입사각(θ'_int)과 같다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 각(β)은 5도 보다 더 크며 바람직하게는 10도 보다 더 크다. 따라서, 파라시틱 광선은 파라시틱 광선의 입사각이 적절하거나 높은 경우에 대해 고려된다.

도 15는 블랙 매트릭스(58)와 확산기(59)의 상세 평면도에서 굴절 광선 (1121, 1131)의 경로를 도시한다.

블랙 매트릭스는,

- 투명 대역으로 분리된 수직 블랙 대역이나 흡수 대역(116)과;

- 이미지 빔의 광선(117)을 투명 대역으로 그리고 대부분의 파라시틱 광선(118)을 블랙 대역(116)으로 집광시키는 수직 원통형 렌즈(115)

를 포함한다.

그리하여, 이미지 빔은 확산기(59)에 의해 뷰어 쪽으로 확산되는 반면, 대부분의 파라시틱 광선은 제거된다. 특히, 확산기는 파라시틱 광선을 아래 쪽이나 위쪽으로 확산시켜서 파라시틱 광선을 제거하므로, 파라시틱 광선은 프로젝터와 마주하는 뷰어에게는 보이지 않는다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 파라시틱 광선을 필터링하는 수단은, 블랙 매트릭스(58) 이외에 또는 이 대신에, 투명 영역으로 분리된 동심 원형 블랙 대역을 구비하는 필터를 포함한다. 이 필터는 렌즈(54)와 블랙 매트릭스(58) 사이에 또는 {블랙 매트릭스(58)가 없는 경우에는} 렌즈(54)와 확산기(59) 사이에 배치된다. 투명한 영역은 프레즈넬 렌즈에서 굴절된 이미지 빔의 광선을 투과시키기 위해 굴절 디옵터의 각 면(b)과 마주하여 배치된다. 흡수 대역이나 블랙 대역은 이 영역에서 투과될 수 있는 {광선(118)이나 광선(1121)과 같은} 파라시틱 광선을 제거하기 위하여 2개의 투명 영역 사이에 배치된다.

제조 제한값(ζ_lim)으로 각(ζ)을 유지하기 위해, 렌즈(54)는 도 5a 내지 도 5d에 대해 기술된 바와 유사한 각(α, β)으로 좌우되는 3개의 영역을 포함한다. 그러나, 각(β)의 값은 파라시틱 입사광선의 입사각에는 좌우되지만 다이렉트 입사광선의 입사각에는 좌우되지 않는다는 것을 유념해야 한다. 따라서, 다음과 같은 영역이 제공된다, 즉

- 소스(PR)로부터 오는 광이 렌즈의 평면 면에서 반사된 후 폴딩 미러에서 반사되어 얻어진 파라시틱 광선의 입사각이 더 작은, 프레즈넬 렌즈의 광학 중심에 가장 가까이 위치된 제 1 영역(Z1)으로서, 출력 빔이 XX' 축에 평행한 구조가 제공되는 제 1 영역(Z1): 이 빔의 출력 각(θ_out)은 평면(P)에 대한 법선에 대해 제로이다(θ_out = 0°). 이 각(ζ)은 제한값(ζ_lim)보다 더 작다. 따라서 입사각(θ_int, θ'_int)에 좌우되는 각(α, β, ζ)의 값은 다음과 같다:

- α = arcsin{(nsinθ_int)/[(1-ncosθ_int)² + (nsinθ_int)²] ^1/2};

- β = θ'_int;

- ζ = 90 - α + β 및 ζ ≥ζ_lim;

- 중간 영역(Z2)으로서, 출력 빔이 미리 결정된 최대 값(θ_max)보다 더 작은 발산각(θ_out)으로 XX' 축의 방향에 대해 약간 발산하는 중간 영역(Z2). 이 각(ζ)은 제한값(ζ_lim)과 같다. 따라서, 이 중간 영역에서, 각(α, β, 및 ζ)의 값은 다음과 같다:

- α = 90 - ζ_lim + β

- β = θ_int

- ζ = ζ_lim; 및

- 렌즈의 광학 중심으로부터 가장 멀리 떨어진 영역(Z3)으로서, 소스(PR)로부터 광의 입사각이 가장 높고 빔은 미리 결정된 최대 발산값(θ_max)과 같은 발산각(θ_out)(θ_out = θ_max)으로 XX' 축의 방향에 대해 약간 발산하는 영역(Z3). 이 각(ζ)은 제한값(ζ_lim)과 같다. 따라서, 이 영역에서, 각(α, β, 및 ζ)의 값은 다음과 같다:

- α = arctan[(nsinθ_int - sinθ_max)/(ncosθ_int - cosθ_max)]

- β = ζ - 90 + α

- ζ = ζ_lim.

일 실시예로서, 410mm만큼 스크린 축에 대해 그 축이 빗나가 있는 조명 소스(PR)를 가지고 462mm의 초점 거리와 1.81m의 직경을 가지는 "렌즈"(몰딩)로 제조된 1107mm ×622mm 크기를 갖는 16/9 포맷의 프레즈넬 렌즈에 대해, 12°와 63°사이에서 변하는 입사각(θ_ext)을 가지는 것이 가능하다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 일 특정 실시예에서, 백프로젝션 유닛(5)의 일 변형에 따라 폴딩 미러(53)와 프레즈넬 렌즈(54)의 측면과 정면을 각각 도시한다. 이 변형에 따라 프레즈넬 렌즈(54)의 영역(Z1)은 3개의 부분, 즉

- 각 굴절 디옵터의 면(c)이 다이렉트 입사광선에 평행한, 하부 부분(542)과 상부 부분(540)으로서, 각(β)은 각(θ_int)과 같으며, 따라서, 부분(540 또는 542)에 속하는 굴절 디옵터는 도 4b에 대해 도시된 것과 같은, 하부 부분(542)과 상부 부분(540)과;

- 다이렉트 입사광선이 프레즈넬 렌즈(54)의 평면 면에서 반사된 후 폴딩 미러(53)에서 반사되어 얻어진 파라시틱 입사광선에 각 굴절 디옵터의 면(c)이 평행한 중간 부분(541)으로서, 각(β)이 각(θ'_int)과 같으며, 따라서 이 부분(541)에 속하는 굴절 디옵터가 도 11에 대해 도시된 것과 같은, 중간 부분(541)

으로 분할된다.

이 중간 부분(541)은, 전술된 바와 같이, 파라시틱 입사광선을 수신할 수 있는 프레즈넬 렌즈(54)의 부분에 대응한다. 따라서, 하부 부분은 점(G)이 놓여 있는 원형 아크로 한정된다. 이 점(G)은 다이렉트 입사광선(57)이 프레즈넬 렌즈(54)의 하한(점 F)에 반사된 후 폴딩 미러(53)에 반사되어 얻어진 파라시틱 광선(130)이 프레즈넬 렌즈(54)에 도달하는 점이다.

마찬가지로, 중간 영역(541)의 상부 부분은 점(D, D")이 놓여 있는 원형 아크로 한정된다. 점(D)(각각 D")은 다이렉트 입사광선(140)이 점(B){각각 점(B")}에서 프레즈넬 렌즈(54)에서 반사된 후 점(C)(각각 C")}에서 폴딩 미러에서 상부 각으로 반사되어 얻어진 파라시틱 광선(141)이 프레즈넬 렌즈(54)에 도달하는 점이 다.

프레즈넬 렌즈(54)에 대한 대칭 법선의 평면에 놓여있는 파라시틱 입사광선(132)은 다이렉트 입사광선(131)이 프레즈넬 렌즈(54) 상의 점(B')에서 반사된 후 폴딩 미러(53)의 상한 상의 점(C')에서 반사된 후, 점(D')에서 중심 상부 부분에 있는 프레즈넬 렌즈(54)를 친다. 가공이나 몰딩을 용이하게 하기 위해, 이 점(D')은 부분(541)의 상한을 표시하는 점(E') 아래의 부분(541) 내에 위치된다. 점(E')은 점(D, D")과 동일한 원형 굴절 디옵터 상에 위치된다. 폴딩 미러(53)는 직사각형이므로, 점(D')은 영역(540)의 상한 상에 위치되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 중간 부분(541)은 파라시틱 광선의 가능한 표적 영역(target zone)을 지나 연장한다. 특히, 이 중간 영역은 렌즈(54)의 하부 부분 전체를 커버하며, 전술된 부분(541)과 부분(542 및/또는 540)의 균등한 부분을 포함한다. 각(β)은 프레즈넬 렌즈(54)의 평면 면이 놓여있는 평면 위에 그리고 폴딩 미러(53)가 놓여있는 평면 위에 조명 소스(PR)로부터 오는 빔이 반사된 후 얻어진 파라시틱 광선의 각(θ'_int)과 동일하다. 이것은 파라시틱 광선을 생성하는 반사 표면을 연장하는 것에 해당한다.

도 12는 거리를 밀리미터(mm)로 표시한 축(120)을 따라 굴절 디옵터가 속하는 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 반경(r)의 함수로서 이 굴절 디옵터의 표시 각{축(121)을 따라 각으로 표시됨}을 도시한다.

그래프(126, 124)는 α및 θ_int의 값을 각각 나타낸다.

따라서, 75mm보다 더 작은 거리(r)에 대해:

- 그래프(123)로 표시된 β는 θ_int(부분 541)보다 더 작은 θ'_int와 일치하며, β는 θ_int와 일치한다;

- 그래프(125)로 표시된 ζ는 수식 ζ = β + 90 - α에 따라 α및 β의 함수로서 변한다.

영역(Z1)에 대응하는 표시 영역에서, 그래프(122)로 표시된 이미지 빔(θ_out)의 출력 각은 제로(0)이다.

본 시스템은 바람직하게는 축에서 벗어나(off-axis) 있으므로, 투사되는 물체나 투사된 이미지는 그 축 상에 있지 않다는 것을 유념해야 한다. 따라서 그래프는 반경(r)에 대해 엄격히 양의 값으로 한정된다.

물론, 본 발명은 전술된 실시예로 제한되지 않는다.

이 기술 분야에 숙련된 사람이라면, 다른 구조를 가지는 백프로젝션 유닛에, 특히 반드시 평면일 필요가 없는 폴딩 미러를 구비하는 유닛에, 특히 비구면 미러를 구비하는 유닛에, 본 발명을 적용할 수 있을 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 이미지 소스, 프레즈넬 렌즈, 및 적어도 하나의 리턴 미러를 구비하는 시스템에서, 프레즈넬 렌즈는, (굴절 디옵터의 광학적으로 사용되지 않는 면(c)이 입사 평면에 대한 법선과 이루는) 각(β)이 프레즈넬 렌즈에서 반사된 후 마지막 리턴 미러에서 반사되어 얻어진 파라시틱 광선의 입사각과 동일한, 적어도 하나의 부분을 포함한다. 따라서 이들 파라시틱 광선의 입사각은, 입사하는 이미지 빔, 프레즈 넬 렌즈에 대해 마지막 폴딩 미러의 위치, 및 마지막 폴딩 미러의 형상의 함수로서 명확하게 한정된다.

나아가, 이 실시예에서, 폴딩 미러가 평면인 경우에는 이 폴딩 미러는 반드시 프레즈넬 렌즈와 평행해야 하는 것은 아니다.

또한 본 발명의 이 실시예에 따라, 프레즈넬 렌즈는, 가공 제한값이 허용할 때, 굴절 디옵터의 최대 가공 각(ζ_lim)에 따라, 전술된 영역(Z1, Z2, Z3)의 조합이나 또는 영역(Z1, Z2)의 조합이나 또는 바람직하게는 영역(Z1)만을 포함하며, 이때 영역(Z1)은 여러 부분(각 부분은 다이렉트 광선이나 파라시틱 광선 중 어느 하나의 입사 광선의 입사각의 함수로서 각(β)의 하나의 값에 대응한다)으로 분할될 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 발명은 백프로젝션 시스템에 사용되는 프레즈넬 렌즈에 이용가능하다.

Claims

프레즈넬 렌즈로서,

- 평면(P)에 놓여있는 제 1 면(f1)과;

- 상기 제 1 면과 마주하며 상기 제 1 면에 평행한 제 2 면으로서, 굴절력을 가진 원형 동심 구조(circular concentric refractive structure)를 포함하는, 제 2 면

을 포함하며,

각 굴절력을 가진 원형 동심 구조는,

·굴절 디옵터(refractive diopter)를 형성하도록 의도되며 상기 평면(P)과 제 1 각(α)을 이루는 제 1 표면(b)과,

·광학적 목적을 가지지 않으며 상기 평면(P)에 대한 법선과 제 2 각(β)을 이루는 제 2 표면

으로 한정되며,

각 상기 구조는, 상기 평면(P)에 대한 법선과의 각도가 제로(0)가 아닌 입사 각(θ_int)을 이루는 빔으로 조사되도록 의도되어 있는,

프레즈넬 렌즈에 있어서,

상기 제 2 면은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 중심과 상기 프레즈넬 렌즈의 주변 사이에 분포된 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 적어도 2개의 영역 (zone), 즉

‥ 상기 중심에 가까이 있는 제 1 영역으로서,

…각 제 1 표면의 제 1 각(α)은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조가 한정된 방향(XX')에 대해 제로 각(θ_out)을 이루는 방향을 따라 상기 빔을 굴절시키도록 이루어지며,

…각 제 2 표면의 제 2 각(β)은 상기 입사각(θ_int)과 동일한, 제 1 영역과,

‥ 제 2 영역으로서,

…각 제 1 표면의 제 1 각(α)은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조가 상기 한정된 방향(XX')에 대해 최대 값(θ_max)보다 더 작은 제로가 아닌 각(θ_out)을 이루는 방향을 따라 상기 빔을 굴절시키도록 이루어지며,

…각 제 2 표면의 제 2 각(β)은 상기 입사각(θ_int)과 동일한, 제 2 영역

을 구비하는 것을 특징으로 하는, 프레즈넬 렌즈.
제 1 항에 있어서, 상기 렌즈의 주변과 상기 제 2 영역 사이에 위치된 적어도 제 3 영역을 또한 포함하며,

상기 제 3 영역에서,

‥ 각 제 1 표면의 제 1 각(α)은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조가 상 기 한정된 방향(XX')에 대해 상기 최대값(θ_max)과 같은 제로 아닌 각(θ_out)을 이루는 방향을 따라 광을 굴절시키도록 이루어지며,

‥ 각 제 2 표면의 제 2 각(β)은 상기 입사각(θ_int)보다 더 크게 되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는, 프레즈넬 렌즈.
제 2 항에 있어서, 각 제 1 표면은 각 인접한 제 2 표면과 에칭 각(ζ)을 이루며, 이 에칭 각은 상기 제 2 영역과 상기 제 3 영역 모두에서 특정 값(ζ_lim)을 가지고 상기 제 1 영역에서는 이 특정 값보다 더 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는, 프레즈넬 렌즈.
제 3 항에 있어서, 상기 에칭 각(ζ)의 상기 특정 값(ζ_lim)은 70°보다 더 작은 것을 특징으로 하는, 프레즈넬 렌즈.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 면은 평면인 것을 특징으로 하는, 프레즈넬 렌즈.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 면은 입사 빔의 입사각이 큰 경우를 위해 최적화된 반사방지 처리된 것을 특징으로 하는, 프레즈넬 렌즈.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈의 축으로부터 렌즈 상의 한 점까지의 거리에 대한 상기 렌즈 상의 이 점과 연관된 초점 거리의 비를 최대 2배 한 것과 같은 개구수(numerical aperture)(또는, f-수)는 0.55 이하인 것을 특징으로 하는, 프레즈넬 렌즈.
입사 면과 뷰어 쪽으로 향하는 출사 면을 포함하는 이미지 백프로젝션 스크린에 있어서,

제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 프레즈넬 렌즈를 포함하며, 상기 프레즈넬 렌즈는, 스크린의 입사 면을 따라 배치되며, 상기 렌즈의 입사면은 상기 스크린의 출사 면 쪽으로 향하는 굴절력을 가진 원형 동심 구조를 지지하는 것을 특징으로 하는, 이미지 백프로젝션 스크린.
이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템으로서,

- 이미지 빔을 생성하는 소스와;

- 프레즈넬 렌즈와;

- 상기 이미지 빔을 다시 상기 프레즈넬 렌즈로 전달하도록 설계된 이미지 빔 편향 미러

를 포함하며,

상기 프레즈넬 렌즈는,

- 평면(P)에 놓여있는 제 1 면(f1)과;

- 상기 제 1 면과 마주하며 상기 제 1 면에 평행한 제 2 면으로서, 굴절력을 가진 원형 동심 구조를 포함하는, 제 2 면

을 구비하며,

각 굴절력을 가진 원형 동심 구조는, 굴절 디옵터를 형성하도록 의도되며 상기 평면(P)과 제 1 각(α)을 이루는 제 1 표면(b)과, 광학적인 목적을 가지지 않으며 상기 평면(P)에 대한 법선과 제 2 각(β)을 이루는 제 2 표면으로 한정되는,

이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템에 있어서,

상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 제 1 세트를 형성하는 상기 구조의 적어도 하나의 부분은,

‥ 상기 이미지 빔으로부터 방출되며 상기 제 1 면에서 반사되지 않은 다이렉트 빔(direct beam)이라고 불리우는 제 1 빔으로서, 상기 다이렉트 빔은 상기 프레즈넬 렌즈를 통해 전달되는 상기 다이렉트 빔에 의해 제 1 입사 빔을 형성하는, 제 1 빔과;

‥ 상기 이미지 빔으로부터 방출되며 상기 제 1 면에서 반사된 후 상기 편향 미러에서 반사된 파라시틱 빔(parasitic beam)이라고 불리우는 제 2 빔으로서, 상기 파라시틱 빔은 상기 프레즈넬 렌즈를 통해 전달되는 상기 파라시틱 빔에 의해 제 2 입사빔을 형성하는, 제 2 빔

에 의해 조사되도록 의도되며,

상기 제 2 입사빔은 상기 평면(P)에 대한 법선과 제로가 아닌 각인 입사각( θ'_int)을 이루며,

상기 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)은 상기 제 2 입사 빔의 상기 입사각(θ'_int)에서 10도를 뺀 각보다 더 크며; 상기 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)은 상기 제 2 입사 빔의 상기 입사각(θ'_int)에 2도를 더한 각과 같은 상한(upper limit)보다 더 작은

것을 특징으로 하는, 이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)은 5도 보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)은 상기 제 2 입사 빔의 상기 입사각(θ'_int)과 같은 것을 특징으로 하는, 이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프레즈넬 렌즈는, 적어도 2개의 부분, 즉

- 상기 제 1 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)이 상기 제 2 입사빔의 상기 입사각(θ'_int)과 동일한, 제 1 부분과;

- 구조의 제 2 세트의 각 구조의 제 2 면의 제 2 각(β)이 상기 제 1 입사빔의 상기 입사각(θ_int)과 같은, 제 2 부분

을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템.
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 면은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 중심과 상기 프레즈넬 렌즈의 주변 사이에 분포된 굴절력을 가진 원형 동심 구조의 적어도 2개의 영역(zone), 즉

- 상기 중심에 가까이 있는 제 1 영역으로서, 각 제 1 표면의 제 1 각(α)은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조가 상기 렌즈의 광학 축(XX')에 대해 제로 각(θ_out)을 이루는 방향을 따라 상기 제 1 입사빔을 굴절시키도록 이루어지는, 제 1 영역과;

- 제 2 영역으로서, 각 제 1 표면의 제 1 각(α)은, 상기 굴절력을 가진 원형 동심 구조가 상기 한정된 방향(XX')에 대해 최대 값(θ_max)보다 더 작은 제로가 아닌 각(θ_out)을 이루는 방향을 따라 상기 제 1 입사빔을 굴절시키도록 이루어지는, 제 2 영역

을 구비하는 것을 특징으로 하는, 이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템.
제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프레즈넬 렌즈에서 굴절된 제 1 입사 광선에 투명한 필터링 수단으로서 상기 프레즈넬 렌즈와 병렬 배치 되며 상기 프레즈넬 렌즈에서 굴절된 제 2 입사 광선을 필터링하는 필터링 수단을 구비하는 렌티큘러 스크린(lenticular screen)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템.
제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 입사면과 뷰어 쪽으로 향하는 출사면을 포함하는 이미지 백프로젝션 스크린을 포함하며, 상기 스크린은 상기 프레즈넬 렌즈를 포함하며, 상기 프레즈넬 렌즈는 상기 스크린의 입사면을 따라 배치되며, 상기 렌즈의 입사면은 상기 스크린의 출사면 쪽으로 향하는 굴절력을 가진 원형 동심 구조를 지지하는 것을 특징으로 하는, 이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템.
제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프레즈넬 렌즈의 축으로부터 렌즈 상의 한 점까지의 거리에 대한 렌즈 상의 이 점과 연관된 초점 거리의 비를 최대 2배한 것과 같은 개구수는 0.55 이하인 것을 특징으로 하는, 이미지 프로젝션용으로 설계된 시스템.
백프로젝션 유닛으로서,

- 제8항에 기재된 백프로젝션 스크린 또는 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 시스템과;

- 상기 시스템이나 상기 스크린의 프레즈넬 렌즈 쪽으로 광빔을 방출하는 프 로젝터(PR)

를 포함하는, 백프로젝션 유닛.
제 17 항에 있어서, 상기 프로젝터는 상기 프레즈넬 렌즈의 축 상에 배치되며 그 축의 일 측에 위치된 프레즈넬 렌즈의 한 부분에만 이미지를 투사하는 것을 특징으로 하는, 백프로젝션 유닛.