KR20100094858A - 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈 - Google Patents

투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈 Download PDF

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KR20100094858A
KR20100094858A KR1020090014040A KR20090014040A KR20100094858A KR 20100094858 A KR20100094858 A KR 20100094858A KR 1020090014040 A KR1020090014040 A KR 1020090014040A KR 20090014040 A KR20090014040 A KR 20090014040A KR 20100094858 A KR20100094858 A KR 20100094858A
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슈쉬킨 아이하르
마사아키 소후에
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삼성전기주식회사
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Abstract

양의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 볼록한 제1 렌즈와, 음의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 오목하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 오목한 제2 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈의 빔 출사면과 상기 제2 렌즈의 빔 입사면이 접합된 제1 렌즈 유닛; 양의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 볼록한 단일 렌즈의 제2 렌즈 유닛; 및 양의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 오목한 제3 렌즈와, 음의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 오목하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 오목한 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제3 렌즈의 빔 출사면과 상기 제4 렌즈의 빔 입사면이 이격 공간을 두고 결합된 제3 렌즈 유닛을 포함하는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈가 제공된다.
투사 렌즈, 투사 거리, 조정, 렌즈 유닛.

Description

투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈{Projection lens capable of adjusting prjection distance}
본 발명은 프로젝션 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈에 관한 것이다.
최근 디스플레이 기술이 발달함에 따라 TV, 모니터 등의 대형 디스플레이 장치는 물론 휴대 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player) 등의 소형 디스플레이 장치에 대한 수요가 날로 증가하고 있다. 특히, 투사 방식을 이용한 디스플레이 장치는 예를 들어 CRT TV, LCD TV, PDP TV 등의 다른 대형 디스플레이 장치에 비해 대형 화상의 구현에 보다 적합할 뿐만 아니라 가격 경쟁력 면에서도 장점이 있어 수요자들에게 각광을 받고 있다.
그러나, 종래의 투사 방식의 디스플레이 장치는 화상의 구현을 위해 사용되는 부품(예를 들어, 광원, 미러, 광학 렌즈, 투사 렌즈 등)의 개수가 많고 복잡할 뿐만 아니라, 부품간에 소정의 이격 거리 또는 투사 거리가 확보되어야 하는 이유 로 소형 디스플레이 장치에는 적용하기가 어려운 문제점이 있었다. 즉, 종래 기술에 의하면 투사 방식을 이용한 디스플레이 장치의 구현에 있어 소형화에 일정한 한계가 있는 문제점이 있다. 또한, 투사 방식의 디스플레이 장치의 활용도를 극대화하기 위해서는 투사 거리 조정이 가능할 것이 요구된다.
따라서, 본 발명은 장치 활용도를 보다 극대화시킬 수 있도록, 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈를 제공한다.
또한, 본 발명은 휴대폰, PMP 등의 소형 디스플레이 장치에 이용 가능하도록, 단순화된 구성, 컴팩트한 구성이 가능한 투사 렌즈를 제공한다.
또한, 본 발명은 보다 우수한 투사 성능(MTF 특성, 상면 만곡, 왜곡 수차 등)을 갖는 투사 렌즈를 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상면(image plane)으로부터 스크린을 향해 광축 상에서 순서대로, 양의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 볼록한 제1 렌즈와, 음의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 오목하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 오목한 제2 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈의 빔 출사면과 상기 제2 렌즈의 빔 입사면이 접합된 제1 렌즈 유닛; 양의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 볼록한 단일 렌즈의 제2 렌즈 유닛; 및 양의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 오목한 제3 렌즈와, 음의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 오목하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 오목한 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제3 렌즈의 빔 출사면과 상기 제4 렌즈의 빔 입사면이 이격 공간을 두고 결합된 제3 렌즈 유닛을 포함하고, 상기 제2 렌즈 유닛과 상기 제3 렌즈 유닛은 투사 거리의 변화가 가능하도록 상기 광축 상에서 위치 이동이 가능하도록 설계되는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 제3 렌즈 유닛의 상기 스크린 방향의 전방에는 조리개(aperture stop)가 위치하되, 상기 상면으로부터 상기 조리개까지의 간격은 고정 간격을 유지될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 렌즈 유닛에서 상기 제1 렌즈의 유효 초점 거리(f11)와 상기 제2 렌즈의 유효 초점 거리(f12) 간의 관계는 -1.7 < f12/f11 < -1.2를 만족하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 렌즈 유닛의 유효 초점 거리(f2)와 상기 투사 렌즈의 유효 초점 거리(f) 간의 관계는 1.2 < f2/f < 2를 만족하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 렌즈 유닛에서 상기 제3 렌즈의 유효 초점 거 리(f31)와 상기 제4 렌즈의 유효 초점 거리(f32) 간의 관계는 -1.7 < f32/f31 < -1을 만족하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 렌즈의 유효 초점 거리(f11)와 상기 투사 렌즈의 유효 초점 거리(f) 간의 관계는 -1 < f11/f < -1.5를 만족하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 렌즈의 유효 초점 거리(f12)와 상기 투사 렌즈의 유효 초점 거리(f) 간의 관계는 1 < f12/f < 2를 만족하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 투사 렌즈의 투사 거리가 원거리에서 단거리로 연속 변화되는 경우, 상기 제2 렌즈 유닛는 고정 위치하는 상기 제1 렌즈 유닛과의 이격 간격이 감소하도록 상기 상면측을 향해 연속적으로 위치 이동하고, 상기 제3 렌즈 유닛은 고정 위치하는 상기 조리개와의 이격 간격이 감소하도록 상기 스크린 방향으로 연속적으로 위치 이동할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 -27.83mm이고, 상기 제1 렌즈의 빔 출사면 및 상기 제2 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 12.09mm이고, 상기 제2 렌즈의 빔 출사면의 곡률 반경은 -25.32mm이고, 상기 제2 렌즈 유닛의 빔 입사면의 곡률 반경은 -25.53mm이고, 빔 출사면의 곡률 반경은 16.62mm이고, 제3 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 -9.49mm이고, 빔 출사면의 곡률 반경은 -161.5mm이고, 제4 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 25.74mm이고, 빔 출사면의 곡률 반경은 -6.667mm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 렌즈의 굴절 계수는 1.713이고, 아베수는 53.83이고, 상기 제2 렌즈의 굴절 계수는 1.741이고, 아베수는 28.19이고, 상기 제2 렌즈 유닛의 굴절 계수는 1.621이고, 아베수는 63.48이고, 상기 제3 렌즈의 굴절 계수는 1.881이고, 아베수는 41.01이고, 상기 제4 렌즈의 굴절 계수는 1.621이고, 아베수는 36.43일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투사 렌즈에 의하면, 투사 거리의 조정이 가능함으로써, 장치 활용도를 보다 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 보다 단순화된 구성, 컴팩트한 구성으로 구현됨으로써, 휴대폰, PMP 등의 소형 디스플레이 장치에 이용 가능한 효과가 있다. 또한, 보다 우수한 투사 성능(MTF 특성, 상면 만곡, 왜곡 수차 등)을 갖는 효과가 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 투사 렌즈에서 투사 거리 조정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2에서 각각의 (a), (b), (c) 도면은 투사 렌즈의 투사 거리의 변화를 보여주고 있다. 도 1 및 도 2의 (a)는 투사 렌즈의 투사 거리가 원거리인 경우를, 도 1 및 도 2의 (b)는 투사 렌즈의 투사 거리가 원거리와 근거리의 중간의 일 지점에 있는 경우를, 도 1 및 도 2의 (c)는 투사 렌즈의 투사 거리가 근거리인 경우를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈는, 상면(image plane, 도 1 및 도 2의 IP 참조)측으로부터 물체측(object plane, 도 1 및 도 2에서는 스크린(screen)을 의미함)을 향해 그 광축 상에서 제1 렌즈 유닛(도 1 및 도 2의 U1 참조), 제2 렌즈 유닛(도 1 및 도 2의 U2 참조), 제3 렌즈 유닛(도 1 및 도 2의 U3 참조)이 순서대로 배치된다.
여기서, 물체측(object plane)과 상면측(image plane)이란 용어는 응용되는 광학장치/광학분야에 따라 다르게 해석되어져야 하는 상대적 개념이다. 예를 들어, 광학 렌즈가 디지털 스틸 카메라와 같은 촬상 장치에 응용되는 경우, 물체측은 촬 상 방향에 놓인 피사체의 위치를 의미하고, 상면측은 피사체가 촬상됨에 따라 얻어진 영상 정보가 실제로 결상될 이미지 센서의 위치를 의미하게 된다. 이와 달리, 광학 렌즈가 프로젝터에 응용되는 경우라면, 물체측은 투사 방향에 놓인 스크린의 위치을 의미하고, 상면측은 투사 전의 영상 정보가 결상되어 있는 위치(예를 들어, 광변조기 등과 같은 화상 형성 장치의 위치)를 의미하게 될 것이다. 본 발명은 프로젝션 장치 등에 이용되는 투사 렌즈에 관한 것인 바, 본 명세서를 통해서 상면측과 물체측의 의미는 후자의 경우에 해당하게 될 것임을 먼저 명확히 해두기로 한다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈에서의 각 렌즈 유닛의 구성을 상세히 설명한다.
제1 렌즈 유닛(U1)은 2개의 렌즈(이하, 제1 렌즈와 제2 렌즈로 명명함)가 접합된 접합 렌즈(cemented lens)로 이루어진다.
제1 렌즈 유닛(U1)에서 제1 렌즈는, 양의 굴절력(positive optical power)을 가지며, 그 빔 입사면이 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 스크린측을 향해 볼록한 형상을 갖는다. 그리고 제1 렌즈 유닛(U1)에서 제2 렌즈는, 음의 굴절력(negative optical power)을 가지며, 그 빔 입사면이 상면측을 향해 오목하고 빔출사면이 스크린측을 향해 오목한 형상을 갖는다. 이때, 제1 렌즈의 빔 출사면과 제2 렌즈의 빔 입사면은 서로 면접함으로써, 제1 렌즈와 제2 렌즈는 전체적으로 하나의 접합된 접합 렌즈를 구성한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈에서 제1 렌즈 유닛(U1)은 투사 렌즈의 투사 거리 변화에 무관하게 항상 고정 위치한다.
여기서, 제1 렌즈 유닛(U1)에서의 제1 렌즈의 유효 초점 거리(f11)와 제2 렌즈의 유효 초점 거리(f12) 간의 관계는 -1.7 < f12/f11 < -1.2를 만족하도록 설계될 수 있다.
또한, 제1 렌즈의 유효 초점 거리(f11)와 투사 렌즈의 유효 초점 거리(f)(예를 들면, 도 3의 렌즈 데이터에서 'EFL' 참조) 간의 관계는 -1 < f11/f < -1.5를 만족하도록 설계될 수 있다. 또한, 제2 렌즈의 유효 초점 거리(f12)와 투사 렌즈의 유효 초점 거리(f) 간의 관계는 1 < f12/f < 2를 만족하도록 설계될 수 있다.
상기 유효 초점 거리에 관한 관계식들은 본 발명의 투사 렌즈가 일 실시예에 따라 최적 성능을 구현할 수 있는 범위를 나타낸 것이다. 이하의 관계식들도 이와 같다.
제2 렌즈 유닛(U2)은 단일 렌즈로서 이루어진다. 제2 렌즈 유닛(U2)은 양의 굴절력을 가지며, 그 빔 입사면이 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 스크린측을 향해 볼록한 형상을 갖는다.
여기서, 제2 렌즈 유닛(U2)의 유효 초점 거리(f2)와 투사 렌즈의 유효 초점 거리(f) 간의 관계는 1.2 < f2/f < 2를 만족하도록 설계될 수 있다.
제3 렌즈 유닛(U3)은 2개의 렌즈(이하, 제3 렌즈와 제4 렌즈로 명명함)로 이루어진다. 이때, 제3 렌즈와 제4 렌즈는 결합하되, 제3 렌즈의 빔 출사면과 제4 렌즈의 빔 입사면은 완전히 면접하지는 않고 그 2개의 면 사이에 이격 공간이 형성된다.
제3 렌즈 유닛(U3)에서 제3 렌즈는, 양의 굴절력을 가지며, 그 빔 입사면이 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 스크린측을 향해 오목한 형상을 가진다. 제3 렌즈 유닛(U3)에서 제4 렌즈는, 음의 굴절력을 가지며, 그 빔 입사면이 상면측을 향해 오목하고 빔 출사면이 스크린측을 향해 오목한 형상을 가진다. 제3 렌즈 유닛(U3)은 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈에서 상면 만곡(curvature of field)을 보정하는 기능을 함께 수행한다. 제3 렌즈 유닛(U3)의 스크린 방향의 전방에는 조리개(aperture stop)이 위치한다.
여기서, 제3 렌즈 유닛(U3)에서의 제3 렌즈의 유효 초점 거리(f31)와 제4 렌즈의 유효 초점 거리(f32) 간의 관계는 -1.7 < f32/f31 < -1을 만족하도록 설계될 수 있다.
상기와 같은 구성의 투사 렌즈에 있어서, 제2 렌즈 유닛(U2)과 제3 렌즈 유닛(U3)은 투사 렌즈의 투사 거리의 조정/변화가 가능하도록 광축 상에서 위치 이동 가능하도록 설치된다.
도 2를 참조할 때, 투사 렌즈의 투사 거리가 원거리(도 2의 'Long state' 참조)에서 단거리(도 2의 'close state' 참조)로 연속 변화되는 경우, 제2 렌즈 유닛(U2)는 고정 위치하는 제1 렌즈 유닛(U3)과의 이격 간격이 감소하도록 상면측을 향해 연속적으로 위치 이동하고, 제3 렌즈 유닛(U3)은 고정 위치하는 조리개(도 2의 'STOP' 참조)와의 이격 간격이 감소하도록 스크린 방향으로 연속적으로 위치 이동하고 있음이 바로 그것이다.
다만, 제2 렌즈 유닛(U2)과 제3 렌즈 유닛(U3)의 위치 변화에 따라 투사 렌즈의 투사 거리에 변화가 발생하는 경우에도, 상면(image plane)으로부터 조리개까 지의 간격은 고정 간격을 유지한다.
위의 설명에서와 같은 투사 거리 변화에 따른 렌즈 유닛의 위치 변화는 후술할 도 3의 렌즈 데이터로부터 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 3은 도 2의 투사 렌즈에 관한 렌즈 데이터의 일 예이다. 이하, 도 3을 참조하여 도 2에 직접 적용 가능한 렌즈 데이터의 일 예에 관하여 상세히 설명한다.
도 3의 렌즈 데이터에서, 'STO'는 조리개(aperture stop)를, 'IMA'는 상면(image plane)을, 'OBJ'는 스크린(screen)을 의미한다. 'Radius'는 각 부분의 곡률 반경을 의미하고, 여기서 곡률 반경이 'infinity'라는 것은 그 면이 곡률 없이 플랫(flat)하다는 것을 의미한다. 'Thickness'는 광축 상에서의 렌즈 두께 또는 면 간 거리를, 'Glass'는 유리 물성을, 'Nd'는 렌즈의 굴절 계수(refractive index)를, 'Vd'는 렌즈의 아베수(Abbe number)를, 'Diameter'는 빔의 직경을 나타내는 데이터이다. 'EFL'은 투사 렌즈 전체의 유효 초점 거리(effective focal length)를, 'FNO'는 투사 렌즈 전체의 F-넘버(F-number)를 의미한다.
도 3의 렌즈 데이터에서 몇몇 가지의 데이터를 살펴보면, 스크린('OBJ'참조)으로부터 조리개('STO')까지의 거리(즉, 투사 렌즈의 투사 거리)는 d1으로 변수로서 제시되어 있다. 예를 들어, d1은 도 1 및 도 2의 (c)에서와 같이 근거리의 투사 거리를 갖는 경우('POS 1'참조)에는 100mm(즉, 10cm)가 되고, 도 1 및 도 2의 (b)에서와 같이 중간 거리의 투사 거리를 갖는 경우('POS 2'참조)에는 500mm(즉, 50cm)가 되고, 도 1 및 도 2의 (a)에서와 같이 원거리의 투사 거리를 갖는 경 우('POS 3'참조)에는 2500mm(즉, 2.5M)가 된다.
또한, 조리개('STO')와 제3 렌즈 유닛(보다 정확하게는 제4 렌즈의 빔 출사면) 간의 간격도 d2로 변수로서 제시되어 있다. d2는 근거리의 투사 거리에서 원거리의 투사 거리로 변화함에 따라 그 값이 감소됨을 확인할 수 있다. 앞서도 도 2를 통해 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 있어서 투사 렌즈는 그 투사 거리가 근거리에서 원거리 변화할 때 제3 렌즈 유닛이 조리개가 위치한 방향을 향하여 점차 위치 이동함으로써, 그 둘 사이의 거리가 감소되게 된다.
제3 렌즈 유닛에서, 제4 렌즈의 렌즈 두께는 3mm이고, 제4 렌즈와 제3 렌즈 사이의 이격 공간은 0.52mm이고, 제3 렌즈의 렌즈 두께는 3mm이다.
제3 렌즈 유닛과 제2 렌즈 유닛 간의 간격은 d6인 변수로서 제시되어 있다. 제2 렌즈 유닛의 렌즈 두께는 3mm이고, 제2 렌즈 유닛과 제1 렌즈 유닛 간의 간격도 d8의 변수로서 제시되어 있다. 이 또한 투사 렌즈의 투사 거리가 근거리에서 원거리로 변화할 때 제3 렌즈 유닛은 물론 제2 렌즈 유닛도 위치 이동하기 때문이다. 즉, 투사 렌즈의 투사 거리가 근거리에서 원거리로 변화할 때, 제3 렌즈 유닛은 조리개가 위치한 쪽을 향하여 위치 이동하고, 제2 렌즈 유닛은 이와 반대로 제1 렌즈 유닛이 위치한 족을 향하여 위치 이동하므로, d6는 제2 렌즈 유닛과 제3 렌즈 유닛이 서로 점차 멀어지게 되어 그 값이 증가하고, d8은 제2 렌즈 유닛이 고정 위치된 제1 렌즈 유닛 쪽으로 향하면서 점차 가까워지게 되어 그 값이 감소하게 되는 것이다.
제1 렌즈 유닛에서, 제2 렌즈의 렌즈 두께는 2.8mm이고, 제1 렌즈의 렌즈 두 께는 3mm이다. 제1 렌즈 유닛과 상면(image plane) 간의 간격은 11.09mm이다.
다만 여기서, 상기 d2, d6, d8의 합산 값은 투사 거리의 변화에도 일정히 유지되고 있다. 이는 투사 렌즈에서 제2 렌즈 유닛과 제3 렌즈 유닛만이 투사 거리의 변화에 따라 위치 이동할 뿐, 상면과 제1 렌즈 유닛과 조리개는 위치 변화하지 않고 고정된다는 것을 의미하는 것이다.
또한, 투사 렌즈를 구성하는 각 렌즈들의 곡률 반경을 살펴보면, 제1 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 -27.83mm이고, 제1 렌즈의 빔 출사면 및 제2 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 12.09mm이고, 제2 렌즈의 빔 출사면의 곡률 반경은 -25.32mm이고, 제2 렌즈 유닛의 빔 입사면의 곡률 반경은 -25.53mm이고, 빔 출사면의 곡률 반경은 16.62mm이고, 제3 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 -9.49mm이고, 빔 출사면의 곡률 반경은 -161.5mm이고, 제4 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 25.74mm이고, 빔 출사면의 곡률 반경은 -6.667mm인 것을 확인할 수 있다.
또한, 투사 렌즈를 구성하는 각 렌즈들의 굴절 계수 및 아베수를 살펴보면, 제1 렌즈의 굴절 계수는 1.713이고, 아베수는 53.83이고, 제2 렌즈의 굴절 계수는 1.741이고, 아베수는 28.19이고, 제2 렌즈 유닛의 굴절 계수는 1.621이고, 아베수는 63.48이고, 제3 렌즈의 굴절 계수는 1.881이고, 아베수는 41.01이고, 제4 렌즈의 굴절 계수는 1.621이고, 아베수는 36.43이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 렌즈 데이터가 적용된 투사 렌즈에서의 MTF 특성 을 나타낸 그래프이다.
여기서, 도 4a(후술할 도 5a도 동일함)는 투사 렌즈가 단거리의 투사 거리를 갖는 경우(도 3의 렌즈 데이터에서 10cm의 투사 거리를 갖는 'POS 1'참조)를, 도 4b(도 5b도 동일함)는 투사 렌즈가 중간 거리의 투사 거리를 갖는 경우(도 3의 렌즈 데이터에서 50cm의 투사 거리를 갖는 'POS 2'참조)를, 도 4c(도 5c도 동일함)는 투사 렌즈가 원거리의 투사 거리를 갖는 경우(도 3의 렌즈 데이터에서 2.5M의 투사 거리를 갖는 'POS 3'참조)를 나타낸다.
또한 여기서, 파란색선은 그 파장이 445nm인 청색광을, 녹색선은 그 파장이 532nm인 녹색광을, 적색선은 그 파장이 645nm인 적색광의 경우를 나타낸다. 이는 도 5a 내지 도 5c에서도 동일하다.
도 4a 내지 도 4c를 통해 도시된 MTF(Modulation Transfer Function) 차트에 있어서, x축은 공간 주파수(spatial frequency)를 나타내고, y축은 콘트라스트(contrast)를 나타낸다. 공간 주파수의 단위는 lp/mm(line pair/mm)이고, 이는 상면(image plane) 또는 스크린(screen) 상의 1mm 당 포함되어 있는 라인 쌍(흰색 선 및 검은색 선의 쌍으로 구성됨)의 개수를 의미한다. 예를 들어, 스크린 상의 1mm 내에 각각 200㎛ 간격을 갖는 5개의 라인 쌍(1개의 흰색 선 및 1개의 검은색 선)이 포함되어 있는 경우의 공간 주파수는 5 lp/mm가 된다.
이러한 MTF 차트에서의 콘트라스트는 공간 주파수가 증가할수록 감소하게 되며, 이는 상면(image plane) 또는 스크린(screen) 상의 1mm 당 포함된 라인 쌍의 개수가 증가하면 증가할수록 사람의 눈을 통해 스크린상의 1mm 이내에 포함된 선들 을 명확히 구분해내기가 점점 어려워지기 때문이다. 즉, MTF 차트는 본 발명의 투사 렌즈를 거쳐 스크린 상에 확대 투사된 영상을 사람이 눈을 통해 명확히 인식(구분)해낼 수 있는 정도를 나타내는 것이다. 다만, 도 4a 내지 도 4c의 MTF 차트는 스크린이 아닌 상면(image plane) 상에서의 MTF 특성을 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4c의 MTF 차트를 각각 참조하면, 일반적으로 사람이 스크린 상의 영상을 구분해낼 수 있는 콘트라스트를 0.3 정도(최대 콘트라스트는 1 인 경우를 기준)라 가정할 때, 상면(image plane) 상의 변조광의 공간 주파수는 약 50 ~ 100 lp/mm임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈의 확대 배율이 8배인 투사 거리를 가질 때(즉, 도 3의 렌즈 데이터에서 'POS 1'인 10cm의 투사 거리의 경우) 스크린 상에 투사된 영상의 공간 주파수는 약 6 ~ 12.5 lp/mm(= 50 ~ 100 lp/mm × 0.126)가 되고, 확대 배율이 40배인 투사 거리를 가질 때(즉, 도 3의 렌즈 데이터에서 'POS 2'인 50cm의 투사 거리를 가질 경우) 스크린 상에 투사된 영상의 공간 주파수는 약 1.7 ~ 2.5 lp/mm(= 70 ~ 100 lp/mm × 0.025)가 된다. 또한, 확대 배율이 200배인 투사 거리를 가질 때(즉, 도 3의 렌즈 데이터에서 'POS 3'인 2.5M의 투사 거리를 가질 경우) 스크린 상에 투사된 영상의 공간 주파수는 약 0.24 ~ 0.5 lp/mm(= 50 ~ 100 lp/mm × 0.005))가 된다. 즉, 이는 2.5M만큼 떨어진 위치의 스크린 상에서 2mm 당 1개의 라인쌍을 구분할 수 있을 정도의 콘트라스트를 갖는다는 것을 의미하므로, 본 발명의 실시예에 따른 투사 렌즈의 투사 성능이 매우 우수하다는 점을 확인할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 도 3의 렌즈 데이터가 적용된 투사 렌즈에서의 상면 만곡 및 왜곡 수차를 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c에서 각각 좌측에 도시된 그래프는 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈에 있어서의 상면 만곡을 보여주고 있다. 상면 만곡(curvature of field)은 투사 렌즈를 거친 빔이 스크린에 맺힐 때 평면으로 결상되지 않고 곡면의 형태로 결상되는 현상을 나타낸다. 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 상면 만곡을 살펴보면 약 0.1mm 정도(도 5a의 경우의 적색선은 제외)의 값만을 가짐을 알 수 있으며, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈가 우수한 투사 성능을 가지고 있다는 것을 보여주는 것이다.
또한, 도 5a 내지 도 5c에서 각각 우측에 도시된 그래프는 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈에 있어서의 왜곡 수차(distortion aberration)를 보여주고 있다. 이러한 왜곡 수차는 렌즈의 위치별 배율의 변화(차이)에 의하여 발생할 수 있다. 이상적인 렌즈의 경우에는 그 중심점을 기준으로 하였을 때 외각 방향으로의 위치별 배율이 일정(즉, 곡률이 일정)하여야 하지만, 실제 제작된 렌즈의 경우에는 가공상의 오차, 변조광의 입사 방향(각도) 등의 다양한 요인에 인하여 위치별 배율이 조금씩 달라질 수 있다. 이때, 왜곡 수차가 + 값을 가지면 화면의 각 측면이 오목하게 보이게 되며, 왜곡 수차가 - 값을 가지면 화면의 각 측면이 볼록해 보이게 된다. 다만, 이러한 왜곡(볼록 또는 오목하게 보임)을 사람이 눈을 통해 인식할 수 있으려면 적어도 그 왜곡 수차가 약 ±3% 정도가 되어야 하며, 도 5a 내지 도 5c의 경우에는 그 왜곡 수차가 - 3% 범위를 벗어나지 않고 있으므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 투사 렌즈는 사람이 불편함이 없이 인식할 수 있을 정도의 왜곡 수차만을 가지고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈는 그 구성을 단순화, 콤팩트화한 소형으로 제작하였으며, 투사 거리의 조정이 가능하도록 제작하였음에도 불구하고, 상당히 우수한 투사 성능을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈는 휴대 단말기, PDA, PMP 등의 소형의 컬러 디스플레이 장치에도 적용할 수 있는 이점이 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1의 투사 렌즈에서 투사 거리 조정 원리를 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 2의 투사 렌즈에 관한 렌즈 데이터의 일 예.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 렌즈 데이터가 적용된 투사 렌즈에서의 MTF 특성을 나타낸 그래프.
도 5a 내지 도 5c는 도 3의 렌즈 데이터가 적용된 투사 렌즈에서의 상면 만곡 및 왜곡 수차를 나타낸 그래프.

Claims (10)

  1. 상면(image plane)으로부터 스크린을 향해 광축 상에서 순서대로,
    양의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 볼록한 제1 렌즈와, 음의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 오목하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 오목한 제2 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈의 빔 출사면과 상기 제2 렌즈의 빔 입사면이 접합된 제1 렌즈 유닛;
    양의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 볼록한 단일 렌즈의 제2 렌즈 유닛; 및
    양의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 볼록하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 오목한 제3 렌즈와, 음의 굴절력을 가지며 빔 입사면이 상기 상면측을 향해 오목하고 빔 출사면이 상기 스크린측을 향해 오목한 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제3 렌즈의 빔 출사면과 상기 제4 렌즈의 빔 입사면이 이격 공간을 두고 결합된 제3 렌즈 유닛을 포함하고,
    상기 제2 렌즈 유닛과 상기 제3 렌즈 유닛은 투사 거리의 변화가 가능하도록 상기 광축 상에서 위치 이동이 가능하도록 설계되는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 렌즈 유닛의 상기 스크린 방향의 전방에는 조리개(aperture stop)가 위치하되, 상기 상면으로부터 상기 조리개까지의 간격은 고정 간격을 유지하는 것을 특징으로 하는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 유닛에서 상기 제1 렌즈의 유효 초점 거리(f11)와 상기 제2 렌즈의 유효 초점 거리(f12) 간의 관계는 -1.7 < f12/f11 < -1.2를 만족하는 것을 특징으로 하는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈 유닛의 유효 초점 거리(f2)와 상기 투사 렌즈의 유효 초점 거리(f) 간의 관계는 1.2 < f2/f < 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 렌즈 유닛에서 상기 제3 렌즈의 유효 초점 거리(f31)와 상기 제4 렌즈의 유효 초점 거리(f32) 간의 관계는 -1.7 < f32/f31 < -1을 만족하는 것을 특징으로 하는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 유효 초점 거리(f11)와 상기 투사 렌즈의 유효 초점 거리(f) 간의 관계는 -1 < f11/f < -1.5를 만족하는 것을 특징으로 하는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 유효 초점 거리(f12)와 상기 투사 렌즈의 유효 초점 거리(f) 간의 관계는 1 < f12/f < 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 투사 렌즈의 투사 거리가 원거리에서 단거리로 연속 변화되는 경우,
    상기 제2 렌즈 유닛는 고정 위치하는 상기 제1 렌즈 유닛과의 이격 간격이 감소하도록 상기 상면측을 향해 연속적으로 위치 이동하고, 상기 제3 렌즈 유닛은 고정 위치하는 상기 조리개와의 이격 간격이 감소하도록 상기 스크린 방향으로 연속적으로 위치 이동하는 것을 특징으로 하는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 -27.83mm이고, 상기 제1 렌즈의 빔 출사면 및 상기 제2 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 12.09mm이고, 상기 제2 렌즈의 빔 출사면의 곡률 반경은 -25.32mm이고, 상기 제2 렌즈 유닛의 빔 입사면의 곡률 반경은 -25.53mm이고, 빔 출사면의 곡률 반경은 16.62mm이고, 상기 제3 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 -9.49mm이고, 빔 출사면의 곡률 반경은 -161.5mm이고, 상기 제4 렌즈의 빔 입사면의 곡률 반경은 25.74mm이고, 빔 출사면의 곡률 반경은 -6.667mm인 것을 특징으로 하는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 굴절 계수는 1.713이고, 아베수는 53.83이고, 상기 제2 렌즈의 굴절 계수는 1.741이고, 아베수는 28.19이고, 상기 제2 렌즈 유닛의 굴절 계수는 1.621이고, 아베수는 63.48이고, 상기 제3 렌즈의 굴절 계수는 1.881이고, 아베수는 41.01이고, 상기 제4 렌즈의 굴절 계수는 1.621이고, 아베수는 36.43인 것을 특징으로 하는 투사 거리 조정이 가능한 투사 렌즈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101217745B1 (ko) * 2010-12-30 2013-01-02 주식회사 세코닉스 피코 프로젝터용 투사 렌즈 유닛
WO2018056548A1 (ko) * 2016-09-26 2018-03-29 주식회사 세코닉스 고스트 이미지 회피를 위한 헤드업 디스플레이용 렌즈 시스템

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