KR20090093666A

KR20090093666A - 투사 광학 시스템

Info

Publication number: KR20090093666A
Application number: KR1020080019319A
Authority: KR
Inventors: 알렉세이 블라디미로비치 브라티쉬셰프; 이리나 블라디미로브나 세르지에브스카야
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-02
Also published as: EP2096478A2; US20090219490A1; EP2096478A3; US8104897B2

Abstract

투사 광학 시스템이 개시된다. 개시된 투사 광학 시스템은 적어도 하나의 광학 소자를 구비하며, 입사된 화상을 투사하는 제1광학파트; 화상 형성 소자와 적어도 하나의 광학 소자를 구비하며, 입사된 광을 이용하여 화상을 형성하고, 형성된 화상을 상기 제1광학파트 쪽으로 출사하는 제2광학파트; 적어도 하나의 광원을 구비하며, 광을 형성 출사하는 제3광학파트; 상기 제3광학파트로부터 출사된 광을 상기 제2광학파트 쪽을 향하도록 경로를 바꾸는 편향기;를 포함하며, 상기 제2광학파트의 동공면은 상기 제1 및 제2광학파트 사이에 위치하며, 상기 제3광학파트의 광축은 상기 제2광학파트의 광축에 대해 기울어져 있고, 상기 제1광학파트의 광축과 상기 제2광학파트의 광축은 평행하며 서로 이격된 것을 특징으로 한다.

Description

투사 광학 시스템{Projection optical system}

본 발명은 광학 시스템과 관련되며, 더욱 상세하게는, 이미지를 생성 투사하기 위해 사용될 수 있는 투사 광학 시스템에 관한 것이다.

투사 광학 시스템에서, 광원으로부터 생성된 빔은 균일한 조명을 제공하는 집광렌즈에 의해 필름 상에 집광되고 렌즈를 통해 스크린 상에 투사된다. 최근의 투사 광학 시스템(일본 특허공개공보 2000-321529, 일본 특허공개공보 2005-092206)은 이미지를 형성하기 위해 필름이 아니라 회전 미러의 집합으로 이루어진, 예를 들어 DMD(digital micromirror device)소자와 같은, 마이크로 미러 소자를 사용한다. 이러한 광학 시스템은 균일 조명을 형성하기 위해 회전 미러들의 집합과 같은 조명 광학계와, 이미지를 스크린에 투사하기 위해 렌즈와 같은 투사광학계를 포함한다.

이러한 투사 광학 시스템의 단점은 시스템 내에서 광 이동 거리가 길기 때문에, 상당한 광손실이 일어나므로 광 파워를 증가시키는 것이 요구되는데, 이것이 시스템을 과열시킬 수 있다는 점이다. 이러한 과열을 막기 위해 투사 시스템의 전체 크기를 증가시킬 필요가 있다.

미국 특허 US 6,439,726에 개시된 투사 시스템에 의하면, 조명광학계와 투사광학계는 제1,제2 및 제3의 광학 파트로 나뉘어 있으며, 제1 및 제2의 광학 파트는 공통된 광축을 가지며 투사 렌즈를 구성한다. 제2 및 제3의 광학 파트는 조명 광학계를 구성한다. 백라이트와 같은 보조 조명에서의 광은 제3광학파트로부터 나와서 마이크로 미러 소자를 포함하는 제2광학파트에 비춰지고, 이미지 패턴을 형성한 다음 제1파트를 통과하여 시스템을 나가 스크린에 투사된다. 이 때, 제3광학파트를 제1 및 제2파트에 대해 비스듬이 설치함으로써 광의 광학적 궤적, 즉, 광원으로부터 마이크로 미러 소자까지의 거리가 짧아지고, 따라서, 광 손실이 줄어들며 요구되는 광파워가 줄어들어 시스템의 크기를 줄이는 것이 가능해진다.

이러한 투사 시스템의 단점은 다음과 같다. 일반적으로 컴팩트한 투사 시스템은 예를 들어 가스방전등(gas-discharge lamp)이나 발광다이오드(light emitting diode)와 같이 발산이 큰 광원을 사용한다. 이 때, 디바이스의 광 효율, 전체 크기 및 화상 품질과 같은 특징이 중요한데, 개구가 큰 광원을 적용함에 따라 광효율에 대한 요구조건은 더 높아지며, 이는 마이크로 미러 플레이트에 도달하는 조명 광 및 투사렌즈의 개구수가 클 것을 필요로 한다. 따라서, 제1 및 제2광학파트 사이에 놓인 제2광학파트의 개구 조리개가 조명광 및 투사 빔에 대한 동공면(pupil plane)을 나타낸다. 마이크로미러 플레이트의 경사각의 만곡과 같거나 또는 이를 초과하는 개구수를 가지는 동공면(pupil plane) 또는 그 근방에서 분기되는 빔은 빔 비네팅(vignetting)을 최소로 하고 균일하게 한다. 받아들여질 만한 거리는 렌즈의 개구수에 의존하며, 즉, 개구수가 작아질수록 동공으로부터 빔이 분기되는 절점의 거리를 더 멀어지게 하는 것이 가능한데, 일반적으로 이러한 거리는 동공 직경을 초과하지 않는다. 조명 부문과 투사 부문의 효과적인 분리를 위해 동공에서의 수차, 즉, 모든 필드점에서 동공의 위치와 크기가 일치하는 것이 또한 중요하다. 또한, 동공 품질은 투사 부문뿐 아니라 조명 부문을 위해서도 중요하다. 조명 파트가 큰 동공 수차를 갖는 경우에 시스템은 상 영역(필드)을 가로질러 비네팅의 불균일성과 주변광 성분의 증가를 나타내고 따라서 광학 소자의 과열 및 화상 품질의 저하가 야기된다. 따라서, 소형 투사시스템에서 균일한 밝기, 그리고, 고품질의 화상을 생성하기 위해서는, 투사빔 및 조명빔 모두에 대하여, 제2광학파트의 동공을 보정하는 것이 필요하며, 그럼으로써 제2광학파트의 조절 가능한 개구수가 증가하게 된다. 이 경우, 적용된 개구는, 조명빔이 제2광학파트에 큰 각으로 도달할 때, 제2광학파트와 관련하여 비대칭이고, 반면 투사빔은 일반적으로 광축에 대해 대칭적으로 또는 이에 가깝게 진행한다.

본 발명은 상술한 필요성에 따라 안출된 것으로, 제2광학파트의 구조를 단순하게 함으로써, 전체 크기를 줄이고 설계 및 제조 과정이 용이한 투사시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 투사 광학 시스템은 적어도 하나의 광학 소자를 구비하며, 입사된 화상을 투사하는 제1광학파트; 화상 형성 소자와 적어도 하나의 광학 소자를 구비하며, 입사된 광을 이용하여 화상을 형성하고, 형성된 화상을 상기 제1광학파트 쪽으로 출사하는 제2광학파트; 적어도 하나의 광원을 구비하며, 광을 형성 출사하는 제3광학파트; 상기 제3광학파트로부터 출사된 광을 상기 제2광학파트 쪽을 향하도록 경로를 바꾸는 편향기;를 포함하며, 상기 제2광학파트의 동공면은 상기 제1 및 제2광학파트 사이에 위치하며, 상기 제3광학파트의 광축은 상기 제2광학파트의 광축에 대해 기울어져 있고, 상기 제1광학파트의 광축과 상기 제2광학파트의 광축은 평행하며 서로 이격된 것을 특징으로 한다.

상기 제3광학파트의 광축과 상기 제2광학파트의 광축이 이루는 각은 0도 보다 크고 90도 이하일 수 있다.

상기 제1광학파트의 광축과 상기 제2광학파트의 광축이 이격된 거리는 제2광학파트의 입사동 직경의 2% 이상 50% 이하일 수 있다.

상기 편향기는 미러를 포함하는 장치, 프리즘을 포함하는 장치, 미러와 프리즘을 모두 포함하는 장치 중 어느 하나가 될 수 있다.

상기 화상 형성 소자는 반사형 화상 형성 소자일 수 있다.

상기 화상 형성 소자는 마이크로 미러 소자 또는 LCOS 일 수 있다.

상기 제1광학파트는, 상기 제2광학파트를 향하여 순차적으로 배열된 것으로, 상기 제2광학파트를 마주하는 면이 오목한 제1메니스커스렌즈; 상기 제2광학파트를 마주하는 면이 오목한 제2메니스커스렌즈; 제1정렌즈; 상기 제2광학파트를 마주하는 면이 오목한 제3메니스커스렌즈; 부렌즈; 및 제2정렌즈;를 포함할 수 있다.

상기 제2광학파트는, 상기 화상 형성 소자로부터 상기 제1광학파트를 향하여 순차적으로 배열된 것으로, 제3정렌즈; 세 개의 렌즈가 접합된 접합렌즈;를 포함할 수 있다.

상기 제1광학파트의 광축과 상기 제2광학파트의 입사 동공면과의 교점은 상기 제2광학파트의 광축이 그 입사 동공면과 만나는 교점으로부터 0.3 내지 3.0mm의 거리에 위치할 수 있다.

상기 제3광학파트는, 복수의 단색 광원; 상기 복수의 단색 광원에서의 광을 합성하는 색합성 소자; 상기 색합성 소자에서 합성된 광빔의 형상과 개구수를 조절하는 렌즈부;를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 전체 크기가 감소되고 설계 및 제조 과정이 용이한 구조의 투사 광학 투사시스템이 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투사 광학 시스템의 개략도이다.

도 2 및 도 3은 각각 도 1의 투사 광학 시스템의 제1 및 제2광학파트의 실시예에 대한 개략도이다.

도 4는 도 1의 투사 광학 시스템의 제3광학파트의 실시예에 대한 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1...제1광학파트 2...제2광학파트

3...제3광학파트 4...편향기

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 투사 광학 시스템을 보이는 개략도이다. 도면을 참조하면, 투사 광학 시스템(100)은 제1광학파트(1), 제2광학파트(2), 제3광학파트(3) 및 편향기(4)를 포함한다.

제1광학파트(1)는 입사된 화상을 투사하기 위하여, 적어도 하나의 광학 소자를 포함한다.

제2광학파트(2)는 입사된 광을 이용하여 화상을 형성하고, 형성된 화상을 상기 제1광학파트(1) 쪽으로 출사하는 것으로, 반사형 화상형성소자(6)를 포함한다.

제3광학파트(3)는 광을 형성 출사하는 것으로 적어도 하나의 광원(5)을 포함한다.

편향기(4)는 제3광학파트(3)로부터 출사된 광을 제2광학파트(2) 쪽을 향하도록 경로를 바꾸는 것으로, 예를 들어, 미러를 포함하는 장치, 프리즘을 포함하는 장치, 미러와 프리즘을 모두 포함하는 장치 중 어느 하나로 구성될 수 있다.

제1광학파트(1)는 제2광학파트(2)와 함께 투사 광학계를 구성하며, 이에 의해 반사형 화상형성소자(6)의 반사면 상에 제시된 상이 스크린(미도시)상에 디스플레이 된다. 제2광학파트(2)는 제3광학파트(3)에 의해 형상 형성되고 편향기(4)에 의해 방향이 바뀌는, 광원에서의 광을 가이드한다.

여기서, 제2광학파트(2)의 동공면(pupil plane)은 제1광학파트(1)와 제2광학파트(2) 사이에 위치한다. 각 광학파트는 광축(7,8,9)을 갖는데, 제3광학파트(3)의 광축(9)은 제2광학계(2)의 광축(8)에 대해 기울어져 있으며, 예를 들어, 광축(9)와 광축(8)은 0도 이상 90도 이하의 각을 이룬다.

제1광학파트(1)의 광축(7)은 제2광학파트(2)의 광축(8)과 평행하며, 서로 이격되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제2광학파트(2)의 광축(8)은 제1광학파트(1)의 광축(7)과 평행하고, 제1광학파트(1)의 광축(7)을 지나는 면 내에서 제1광학파트(1)의 광축(7)과의 거리가 투사빔에 대한, 제2광학파트(2)의 동공 반경을 넘지 않도록 배치되어 있다. 광축(7)과 광축(8) 사이의 거리는 예를 들어 제2광학파트(2)의 투사빔에 대한 입사동 직경의 2% 이상이며, 제2광학파트(2)의 투사빔에 대한 입사동 직경의 50%를 넘지 않도록 구성될 수 있다. 이러한 범위는 다음과 같은 이유로 선택된 것이다. 디센터링(decentering), 즉, 제1광학파트(1)의 광축(7)에 대한 제2광학파트(2)의 광축(8)의 거리가 상기 입사동 직경의 2% 미만이 되면 유효 시야(vision field)를 가지는 시스템 크기를 감소시키고자 하는 긍정적인 효과가 잘 나타나지 않게 된다. 또한, 상기 값이 상기 입사동 직경의 50%를 넘으면 수차들이 실제로 보상될 수 없다.

제1광학파트(1)의 광축(7)과 제2광학파트(2)의 입사 동공면과의 교점은 상기 제2광학파트(2)의 광축(8)이 그 입사 동공면과 만나는 교점으로부터 0.3 내지 3.0mm의 거리에 위치할 수 있다.

투사 광학 시스템(100)은 일반적으로 다음과 같이 기능한다. 제3광학파트(3)는 광원(5)로부터의 광을 콘 형상으로 형성하고 이를 편향기(4)로 가이드한다. 편향기(4)는 제3광학파트(3)에서 콘 형상으로 형성된 광을 제2광학파트(2)로 가이드한다. 제2광학파트(2)를 일 방향으로 통과한 광은 반사형 화상형성소자(6)로부터 반사된다. 여기서, 반사형 화상형성소자(6)는 입사된 광을 이용하여 화상을 형성한다. 다음, 화상 형성된 광은 제2광학파트(2)를 반대방향으로 통과하고, 제1광학파트(1)의 입구에 도달한다. 제1광학파트(1)는 입사된 화상을 스크린(미도시) 상에 투사한다.

제1광학파트(1)와 제2광학파트(2)는 상술한 바와 같이, 제1광학파트(1)의 광축(7)과 제2광학파트(2)의 광축(8)이 서로 평행하고, 투사빔에 대한 제2광학파트(2)의 동공 직경의 반을 넘지 않는 거리로 이격되어 있다. 이에 의해, 0.1 또는 그 이상의 개구수를 갖는 시스템이 형성된다.

본 발명의 투사 광학 시스템(100)은 동공면 내의 공간을 부분적으로 센터링함으로써 제2광학파트의 구조를 단순하게 하며, 이에 의해 제2광학파트의 조절 가능한 개구수를 감소시키고 있다.

도 2 및 도 3은 도 1의 투사 광학 시스템의 제1광학파트(1) 및 제2광학파트(2)에 대한 실시예를 보인다. 도면들을 참조하면, 제1광학파트(1)는 제2광학파트(2)를 향하여 순차적으로 배치된 것으로, 제2광학파트(2)를 마주하는 면이 오목한 제1메니스커스렌즈(10), 제2광학파트(2)를 마주하는 면이 오목한 제2메니스커스렌즈(11), 제1정렌즈(12), 제2광학파트(2)를 마주하는 면이 오목한 제3메니스커스 렌즈(13), 부렌즈(14), 제2정렌즈(15)를 포함한다. 제2광학파트(2)는 반사형 화상형성소자(6)와, 반사형 화상형성소자(6)의 면으로부터 제1광학파트(1)를 향하여 순차적으로 배치된 제3정렌즈(16) 및 세 개의 렌즈(17-1,17-2,17-3)가 접합된 접합렌즈(17)를 포함한다. 반사형 화상형성소자(6)로는 예를 들어, DMD(digital micromirror device) 소자 또는 반사형 액정 표시 소자인 LCOS(liquid crystal on silicon) 등이 채용될 수 있다.

도 4는 도 1의 투사광학시스템의 제3광학파트(3)에 대한 실시예를 보인다. 제3광학파트(5)는 복수의 단색 광원(5), 상기 복수의 단색 광원에서의 광을 합성하는 색합성 소자(19) 및 상기 색합성 소자에서 합성된 광빔의 형상과 개구수를 조절하는 렌즈부(20)를 포함한다.

복수의 단색 광원(5)은 예를 들어 각각 적색광원, 녹색광원, 청색광원일 수 있다. 색합성 소자(19)로는 예를 들어 빔을 분리/합성할 때 사용되는 X-큐브(cube)가 채용될 수 있으며, 복수의 단색 광원(5) 각각은 색합성 소자(51)의 각 면에 마주보게 배치된다.

렌즈부(20)는 색합성 소자(19)에서 합성 출사되는 광빔을 조절하여 시스템에서 요청되는 광빔의 형상과 개구수를 갖도록 한다. 렌즈부(2)는 예를 들어, 색합성 소자 쪽이 오목한 제4메니스커스렌즈(21) 및 제4정렌즈(22)를 포함하여 구성될 수 있다.

색합성 소자(19)와 각각의 복수의 단색 광원(5) 사이에는 집광기(18)가 마련될 수 있다. 집광기(18)는 광원(5)으로부터의 광의 발산각을 줄이고 광빔을 균일하게 집속하는 광학 부재로서, 예를 들어 윈스턴 집광기(Winston concentrator)와 같은 복합 포물선형 집광기나 포콘(focon)이 채용될 수 있다. 집광기(18)는 상대적으로 넓은 단면을 가지는 쪽이 광원(5)을 향하도록 배치된다.

본 실시예에서는 적색, 녹색 및 청색의 3색 광원인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예에 의한 투사 광학 시스템에서 예시된 렌즈들은 글래스 또는 플라스틱으로 제조될 수 있다. 렌즈를 제조 형성하는 것은 통상의 방법에 의해 가능하다.

본 발명의 실시예에 의한 투사 광학 시스템은 모든 유형의 프로젝터, 프로젝션 TV 수상기, 디스플레이 및 소형화와 높은 광효율이 요구되는 전면 또는 배면투사형 프로젝션을 사용하는 기타 장치에 적용될 수 있다.

이러한 본원 발명은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

적어도 하나의 광학 소자를 구비하며, 입사된 화상을 투사하는 제1광학파트;

화상 형성 소자와 적어도 하나의 광학 소자를 구비하며, 입사된 광을 이용하여 화상을 형성하고, 형성된 화상을 상기 제1광학파트 쪽으로 출사하는 제2광학파트;

적어도 하나의 광원을 구비하며, 광을 형성 출사하는 제3광학파트;

상기 제3광학파트로부터 출사된 광을 상기 제2광학파트 쪽을 향하도록 경로를 바꾸는 편향기;를 포함하며,

상기 제2광학파트의 동공면은 상기 제1 및 제2광학파트 사이에 위치하며, 상기 제3광학파트의 광축은 상기 제2광학파트의 광축에 대해 기울어져 있고, 상기 제1광학파트의 광축과 상기 제2광학파트의 광축은 평행하며 서로 이격된 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제3광학파트의 광축과 상기 제2광학파트의 광축이 이루는 각은 0도 보다 크고 90도 이하인 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제1광학파트의 광축과 상기 제2광학파트의 광축이 이격된 거리는 제2광학파트의 입사동 직경의 2% 이상 50% 이하인 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.
제1항에 있어서,

상기 편향기는 미러를 포함하는 장치, 프리즘을 포함하는 장치, 미러와 프리즘을 포함하는 장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.
제1항에 있어서,

상기 화상 형성 소자는 반사형 화상 형성 소자인 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.
제5항에 있어서,

상기 반사형 화상 형성 소자는 마이크로 미러 소자 또는 LCOS인 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1광학파트는,

상기 제2광학파트를 향하여 순차적으로 배열된 것으로,

상기 제2광학파트를 마주하는 면이 오목한 제1메니스커스렌즈;

상기 제2광학파트를 마주하는 면이 오목한 제2메니스커스렌즈;

제1정렌즈;

상기 제2광학파트를 마주하는 면이 오목한 제3메니스커스렌즈;

부렌즈; 및

제2정렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2광학파트는,

상기 화상 형성 소자로부터 상기 제1광학파트를 향하여 순차적으로 배열된 것으로,

제3정렌즈;

세개의 렌즈가 접합된 접합렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1광학파트의 광축과 상기 제2광학파트의 입사 동공면과의 교점은 상기 제2광학파트의 광축이 그 입사 동공면과 만나는 교점으로부터 0.3 내지 3.0mm의 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제3광학파트는,

복수의 단색 광원;

상기 복수의 단색 광원에서의 광을 합성하는 색합성 소자;

상기 색합성 소자에서 합성된 광빔의 형상과 개구수를 조절하는 렌즈부;를 를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.
제10항에 있어서,

상기 색합성 소자는 X-큐브(cube)이며,

상기 복수의 단색 광원 각각은 상기 X-큐브의 각 면을 마주하며,

상기 복수의 단색 광원과 X-큐브 사이에는 집광기가 각각 마련되는 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템
제10항에 있어서, 상기 렌즈부는,

상기 색합성 소자 쪽이 오목한 제4메니스커스 렌즈 및 제4정렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학 시스템.