KR20110075759A - 프로젝터 조명계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핸드폰 카메라 또는 디지털 카메라, Beam Projector, Vision System 등에 사용되는 초소형 Projector시스템 중 조명계에 관련된 것으로, 더욱 상세하게는, 광원, 조명계, 패널, 투사계로 구성된 프로젝터 시스템 중 프로젝터 조명계에 있어서, 광원에서 출사된 광을 균일한 밝기를 가지도록 설계된 면광원 렌즈와, 상기 면광원 렌즈에 의해 형성된 균일한 면광원을 평행 광원화 시키는 콜리메이션 렌즈와, 상기 광원에서 상기 면광원 렌즈와 콜리메이션 렌즈를 통해 형성된 균일하고 콜리메이션된 광을 상기 투사계의 각 필드별 주광선 입사각에 대응하도록 설계된 프로젝터용 렌즈를 포함하여 구성된 프로젝터 조명계에 관한 것이다.

본 발명은 핸드폰 카메라 또는 디지털 카메라, Beam Projector, Vision System 등에 사용되는 초소형 Projector시스템 중 조명계에 관련된 것으로, 더욱 상세하게는, 광원, 조명계, 패널, 투사계로 구성된 프로젝터 시스템 중 프로젝터 조명계에 있어서, 광원에서 출사된 광을 균일한 밝기를 가지도록 설계된 면광원 렌즈와, 상기 면광원 렌즈에 의해 형성된 균일한 면광원을 평행 광원화 시키는 콜리메이션 렌즈와, 상기 광원에서 상기 면광원 렌즈와 콜리메이션 렌즈를 통해 형성된 균일하고 콜리메이션된 광을 상기 투사계의 각 필드별 주광선 입사각에 대응하도록 설계된 프로젝터용 렌즈를 포함하여 구성된 프로젝터 조명계에 관한 것이다.

Description

프로젝터 조명계 {Projector Illumination System}

본 발명은 핸드폰 카메라 또는 디지털 카메라, Beam Projector, Vision

System 등에 사용되는 초소형 Projector 조명계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로젝터의 소형화를 구현하기 위하여 최적 설계된 초소형 프로젝터 조명계에 관련된 것이다.

최근 휴대폰, PMP, 넷북, 노트북등 개인 휴대용 IT기기들의 사용이 늘어나고 그 종류도 많아지고 있다. 이런 휴대용 기기들의 사용이 점차 늘어나면서 휴대용 IT기기에 사용되는 디스플레이가 더욱 중요해지고 그 성능향상에 대한 요구가 점차 높아지고 있다. 특히 휴대용이지만 대형디스플레이도 가능하기를 원하는 경우가 많다.

현재 휴대용 IT기기의 디스플레이는 LCD, AMLED, LED가 주로 사용되고 있으며, 이들 디스플레이는 휴대용 대형디스플레이 불가능하며, 현재로서는 크기가 작으면서 대형디스플레이가 가능한 것은 프로젝터 시스템이 유일하다. 그러나 기존의 프로젝터 시스템은 크기를 소형화하기에는 문제점이 많다.

현재 소형 프로젝터가 점차 개발되고 있으나 아직은 휴대폰 등에 장착되기에는 크기가 크고 밝기가 어두운 경우가 대부분이고 가격 또한 고가여서 아직 대중화되기에는 한계가 많다.

즉, Projection 기능이 핸드폰과 같은 Mobile 기기로 내장되기 위해서는 Projection Module의 초소형 프로젝트용 광엔진이 필수이나, 종래의 초소형 프로젝트용 광엔진의 경우 사이즈는 소형이기는 하지만 핸드폰과 같은 Mobile 기기로 내장되기 어려운 문제점이 있는 크기였다. 그리고 밝기 또한 실내의 조명 상태에서도 영상을 보기가 어려운 문제점이 있었다.

이러한 밝기가 어두운 문제점을 해결하기 위하여 소비전력을 높이거나 광변조소로 LCoS(Liquid Crystal on Silicon)를 사용하지 않고 DLP(Digital Light Processing)를 사용하곤 했지만, 그 경우에는 소비전력을 높이면 밧데리의 사용시간이 급속히 줄어들어 실제로 사용하기에 불편한 점이 있으며 또한 레이저나 LED에 과도한 전류가 흘러 발열에 의한 영상의 열화와 같은 문제점도 있었다.

또한, 광 변조소자를 LCoS에서 DLP로 변경할 경우 밝기는 어느 정도 개선되는 효과가 있으나 가격이 매우 비싸지는 문제점이 있었다.

프로젝터는 일반적으로 크게 광원, 조명계, 패널, 투사계로 나눠진다.

광원은 기존에는 Metal Halide Lamp, UHP Lamp가 주로 사용되며, 최근에는 LED를 사용하는 소형 프로젝터의 개발이 많아지고 있다.

조명계는 여러 가지 광학 부품을 사용하여 광원에서 출사된 광을 균일하고 평행한 광을 형성하여 패널에 입사하는 역할을 한다. 균일한 광을 형성하기 위하여 일반적으로 Fly Eye Lens를 많이 사용하였다. 그러나 Fly Eye Lens 를 사용할 경우 렌즈를 두 장 사용해야 되고 기본적으로 긴 광 경로가 필요하기 때문에 소형화하기에는 어려움이 많았다. 이 경우, 패널은 일반적으로 LCD, LCOS, DMD가 주로 많이 사용된다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 크기를 초소형화 하면서도 고효율에 의한 밝기를 개선한 Projection Module의 초소형 프로젝터용 렌즈 구조 및 배치 형상을 갖는 프로젝터 조명계를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 안정적인 설계성능 및 양산성능을 만족하도록 하여 그 제조비용을 저감할 수 있는 Projection Module의 초소형 프로젝터용 렌즈 조명계를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초소형 프로젝터용 조명계는, 광원, 조명계, 패널, 투사계로 구성된 프로젝터 시스템 중 프로젝터 조명계에 있어서, 광원에서 출사된 광을 균일한 밝기를 가지도록 설계된 면광원 렌즈와; 상기 면광원 렌즈에 의해 형성된 균일한 면광원을 평행 광원화 시키는 콜리메이션렌즈와; 상기 광원에서 상기 면광원 렌즈와 콜리메이션 렌즈를 통해 형성된 균일하고 콜리메이션된 광을 상기 투사계의 각 필드별 주광선 입사각에 대응하도록 설계된 프로젝터용 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 면광원 렌즈는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 콜리메이션 렌즈는 적어도 한 면 이상이 프레넬 렌즈 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 프로젝터용 렌즈는 비구면인 것을 특징으로 하는 주광원 입사각 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 프로젝터용 렌즈는 적어도 한 면 이상이 프레넬 렌즈 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 프로젝터용 렌즈는, 흩어진 광을 다시 집광시켜 주는 집광 렌즈부와, 상기 집광 렌즈부로부터 나온 광을 다시 평행광으로 만들어 주는 콜리메이션 렌즈부로 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 프로젝터용 렌즈를 기준으로 광원이 전송되는 흐름 전후 방향에서 광학계를 구성하는 광학 엘리먼트 좌우 단면 폭이 상기 흐름 진행 방향으로 줄어드는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원은 White LED 또는 Red, Green, Blue LED인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원이 Red, Green, Blue LED인 경우 상기 콜리메이션 렌즈 다음에는 광 파장에 따라서 투과 또는 반사되도록 설계된 X-cube 또는 Dichroic mirror를 위치시킨 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원은 하나 또는 두 개 이상인 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 초소형 프로젝터용 조명계 적용 시에는 크기를 초소형화 하면서도 고효율에 의한 밝기를 개선한 Projection Module의 초소형 프로젝터용 렌즈 구조 및 배치 형상을 제공하고, 안정적인 설계성능 및 양산성능을 만족하도록 하여 그 제조비용을 저감할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 기술 개발에서 구현하고자 하는 조명계 구성도, 도 2는 광원이 R, G, B LED 이고 X-cube를 사용할 경우의 조명계 구성도, 도3은 투사계의 주광선 입사각에 대응하도록 설계된 프로젝터용 렌즈 구성도, 도 4는 본 발명의 초소형 프로젝트용 광엔진 광학계의 프로젝터용 렌즈 구조를 표시한 단면도, 도 5는 본 발명의 초소형 프로젝트용 광엔진 광학계의 PBS의 구조를 표시한 구조도이다.

본 발명에서 구현하고자 하는 것은 프로젝터의 소형화이다. 앞에서도 언급했듯이 기존의 프로젝터 시스템으로 프로젝터를 소형화하기에는 한계가 많았다. 이 경우, 기존 조명계와 투사계를 개선하여 광부품 수를 줄여야만 소형화가 가능하다.

현재 핸드폰에 많이 사용되고 있는 카메라는 해상도가 12메가까지 개발되어 제품화되고 있다. 폰카메라 광학계가 8-12메가급의 고화소임에도 불구하고 렌즈 수는 4-5장 정도에 불과하며, 전장도 5mm 내외이다.

그에 반해 프로젝터용 투사계는 2-3메가 정도의 화소이지만 렌즈 수가 10장 내외이고 전장도 훨씬 커서 수 cm 정도이다. 그 이유는 여러 요인이 있지만 가장 큰 요인은 중심에서 Full Field(1.0 Field)까지 주광선 입사각이 0도 이여야 하기 때문이다.

폰 카메라가 적은 렌즈 수와 작은 사이즈를 구현할 수 있는 이유는 중심에서 Full Field까지 주광선 입사각을 다르게 함으로서 가능하다.

본 발명에서는 이 기술을 프로젝터에 적용함으로서 프로젝터의 소형화 구현을 가능하게 한다. 기존의 프로젝터 시스템과 달리 조명계와 패널, 투사계 사이에 투사계의 주광선 입사각을 조절할 수 있는 렌즈를 위치시킴으로써 조명계에서 출사된 광이 투사계의 중심에서 각 Field별로 잘 대응할 수 있도록 광을 제어 가능하도록 한다.

이런 시스템이 가능하기 위해서는 조명계에서 균일하고 평행한 광이 구현되어야만 가능하다.

본 발명에서는 기존 프로젝터 조명계와 달리 Fly Eye Lens를 사용하지 않고 비구면 렌즈 1장을 사용하여 균일한 광을 형성한 다음 콜레이션렌즈를 이용하여 균일하고 평행한 광을 형성한다. 이 때 콜리메이션 렌즈는 프레넬 렌즈 형상으로 설계하여 사이즈를 줄였다.

본 발명에 따른 조명계 구성을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 프로젝터 시스템은 크게는, 광원, 조명계, 패널, 투사계로 구성되어 있다.

상기 조명계는 광원에서 출사된 광을 균일한 밝기를 가지도록 설계된 면광원 렌즈와, 상기 면광원 렌즈에 의해 형성된 균일한 면광원을 평행 광원화 시키는 콜리메이션 렌즈와, 상기 광원에서 상기 면광원 렌즈와 콜리메이션 렌즈를 통해 형성된 균일하고 콜리메이션된 광을 상기 투사계의 각 필드별 주광선 입사각에 대응하도록 설계된 프로젝터용 렌즈를 포함하여 광원으로부터 피사체 방향으로 순차적 구성을 갖도록 함이 바람직하다.

즉, 본 발명에 따른 초소형 프로젝터 시스템은, 광축을 따라서 광원 측 으로부터 순서대로 구성되는 다수 광학 엘리먼트를 포함한다. 여기에서 다수 광학 엘리먼트는 광학계를 구성하는 다수 렌즈, 광의 선택적 반사 및 투과, 이미지 생성을 이루어내는 필수 구성을 의미한다.

이 경우, 상기 광원은 White LED 또는 Red, Green, Blue LED로 구성한다.

이를 위하여 광원을 발하는 램프는 LED 램프로 구성함이 바람직하다.

이를 부연 설명하면, 필요로 하는 파장대의 파장특성 과 온도특성 및 밝기특성을 가지며 적색(111), 녹색(112), 청색(113)의 빛을 발광하는 LED 광원, 상기 LED 광원(111, 112, 113)의 넓은 발광각을 축소 조정하여 광을 모아주는 LED 렌즈(211, 212, 213), 상기 LED 렌즈로부터 나온 광을 평행하게 만드는 적어도 어느 하나 이상의 콜리메이션 렌즈(220, 230), 상기 콜리메이션 렌즈(220, 230)로부터 나온 광을 투과 또는 반사시키는 X-cube(310) 및 상기 X-Cube(310) 로부터 나와서 주위로 흩어지는 광을 다시 집광시켜 평행광으로 만들어주는 프로젝터용 렌즈(240)를 포함하여 구성하고 있다.

그리고, 상기 광원이 Red, Green, Blue LED인 경우 상기 콜리메이션 렌즈 다 음에는 광 파장에 따라서 투과 또는 반사되도록 설계된 X-cube 또는 Dichroic mirror를 위치시켜 구성함이 바람직하다.

이 경우, 상기 광원은 하나 또는 두 개 이상으로 하여 구성한다.

상기 LED 렌즈(211, 212, 213) 로부터 나온 광은 제1 콜리메이션 렌즈(220)로 입사하게 된다. 이 경우, 상기 제1 콜리메이션 렌즈(220)는 LED 렌즈(211, 212, 213)로부터 나온 광을 평행하게 만드는 역할을 하며, 상기 제1 콜리메이션 렌즈(220)로부터 나온 광의 일부는 여전히 각을 가지고 있으며, 또 다른 광은 유효경 외부로 빠져 나가서 광효율을 떨어뜨리게 된다.

이 경우, 상기 면광원 렌즈는 비구면 렌즈로 구성하며, 상기 콜리메이션 렌즈는 적어도 한 면 이상이 프레넬 렌즈 형상으로 구성함이 바람직하다.

그리고, 상기 프로젝터용 렌(240)즈는 비구면 형상으로 구성하여 주광원 입사각 조절이 용이한 구성을 갖도록 한다.

상기 프로젝터용 렌즈(240)는 적어도 한 면 이상이 프레넬 렌즈 형태로 구성한다.

이 경우, 상기 프로젝터용 렌즈(240)는, 흩어진 광을 다시 집광시켜주는 집광 렌즈부(242)와, 상기 집광 렌즈부(242)로부터 나온 광을 다시 평행광으로 만들어 주는 콜리메이션 렌즈부(241)로 구성한다.

그리고, 상기 프로젝터용 렌즈(240)를 기준으로 광원이 전송되는 흐름 전후 방향에서 광학계를 구성하는 광학 엘리먼트 좌우 단면 폭이 상기 흐름 진행 방향으로 줄어들도록 구성한다.

한편, 상기 제1 콜리메이션 렌즈(220)에 근접하게 설치된 제2 콜리메이션 렌즈(230)는 상기에 언급한 각을 가지는 광은 다시 평행광으로 만들며 외부로 빠져나가는 광은 다시 유효경 안으로 모아주는 역할을 하게 된다.

이 경우, 상기 제1 콜리메이션 렌즈(220)와 제2 콜리메이션 렌즈(230)는 도 2와 같이 동일한 형상을 구성하도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제2 콜리메이션 렌즈(230)로부터 나온 광은 X-Cube(310)로 들어가게 되는데, 상기 X-Cube(310)는 빛을 소정의 목적에 따라 투과 또는 반사시키는 역할을 한다.

한편, 상기 X-Cube(310)로부터 나온 광은 프로젝터 렌즈(240)로 들어가게 되는데, 상기 프로젝터 렌즈(240)는 상기 X-Cube(310)로 부터 나와서 주위로 흩어지는 광을 다시 집광시켜 평행광으로 만들어주는 역할을 한다.

그리고, 도 5에서와 같이, 상기 프로젝터 렌즈(240)는 X-Cube(310)로 부터 나와서 주위로 흩어지는 광을 다시 집광시켜주는 집광부(242)와 이를 다시 평행광으로 만들어 주는 제3 콜리메이션 렌즈(241)로 구성되어 있다. 이는 도 4에서 잘 보여주고 있다.

또한 본 발명에서 설명한 프로젝터용 렌즈(240)는 집광부(242)에 의하여 X-Cube(310)로부터 나온 광이 집광되면서 유효경이 감소하여 전체적인 광학계를 최소화하는 데 기여할 수 있다.

즉, LED(111, 112, 113)로부터 X_Cube(310) 까지의 광학계 사이즈가 집광렌즈(240)를 거치면서 집광렌즈(240) 이후의 광학계는 축소가 되는 구조를 갖게 한 다.

이는 전체적인 광학계 사이즈를 축소시키기 위한 설계 구성이라 할 수 있다. 상기 집광렌즈(240)를 기준으로 광원(111, 112, 113) 이 전송되는 흐름 전후 방향에서 광학계를 구성하는 광학 엘리먼트 좌우 단면 폭이 상기 흐름 진행 방향으로 사이즈를 줄이도록 한 것이다.

한편, 프로젝터용 렌즈(240)로부터 나온 광은 PBS(Polarized Beam Splitter, 320)로 들어가게 되는데, 이는 광의 횡파(S파)와 종파(P파)를 선택적으로 투과 및 반사시키는 역할을 한다. 이에 대한 상세 구조도는 도 5에 표시하였다. 즉 P파는 투과를 하여 소멸하게 되고 S파는 반사를 하여 λ/2 플레이트(325)를 통과시켜 변조광학소자(330)로 입사되며 S파의 변환된 P파 형을 다시 통과시킨다.

부연 설명하면, 상기 PBS(320)로부터 나온 횡파(S파)는 입사된 광을 이용하여 영상을 생성시키는 변조광학소자(330)로 들어가게 되며, 상기 변조광학소자(330)로부터 반사되어 나온 빛은 Half Wavelength Plate 소자(325)를 통과하면서 종파(P파)로 변환하게 된다. 이렇게 변환한 종파(P파)는 상기 PBS(Polarized Beam Splitter, 320)를 통과하여 영상을 스크린에 투사시키는 투사계를 통하여 스크린에 영상을 투사하도록 구성되어져 있다.

한편 상기한 기술 사상은 패널이 LCOS, LCD, DMD 등 다양한 패널 적용이 가능함에 따라서 다양하게 전체 프로젝터 시스템 구조가 개시될 수 있다.

하지만 이러한 패널은 광원이 조명계를 통과한 후 투사계를 통하여 투사되기 전 단계 구성으로 앞에서 언급한 기술 사상, 즉 조명계를 통과하기 까지의 핵심 기 술 내용이 동일하므로 더 이상 상세한 기술 내용은 언급하지 않기로 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 기술 개발에서 구현하고자 하는 조명계 구성도,

도 2는 광원이 R, G, B LED 이고 X-cube를 사용할 경우의 조명계 구성도,

도 3은 투사계의 주광선 입사각에 대응하도록 설계된 프로젝터용 렌즈 구성도,

도 4는 본 발명의 초소형 프로젝트용 광엔진 광학계의 프로젝터용 렌즈 구조를 표시한 단면도,

도 5는 본 발명의 초소형 프로젝트용 광엔진 광학계의 PBS의 구조를 표시한 구조도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 설명 ***

111, 112, 113 : LED 광원 211, 212, 213: LED 렌즈

220: 제1 콜리메이션 렌즈 230: 제2 콜리메이션 렌즈

240: 프로젝터용 렌즈 310: X-Cube

320: PBS 330: LCoS

Claims (10)

1. 광원, 조명계, 패널, 투사계로 구성된 프로젝터 시스템 중 프로젝터 조명계에 있어서,

   광원에서 출사된 광을 균일한 밝기를 가지도록 설계된 면광원 렌즈와;

   상기 면광원 렌즈에 의해 형성된 균일한 면광원을 평행 광원화 시키는 콜리메이션 렌즈와;

   상기 광원에서 상기 면광원 렌즈와 콜리메이션 렌즈를 통해 형성된 균일하고 콜리메이션된 광을 상기 투사계의 각 필드별 주광선 입사각에 대응하도록 설계된 프로젝터용 렌즈를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 프로젝터 조명계
2. 제 1항에 있어서,

   상기 면광원 렌즈는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 프로젝터 조명계
3. 제 1항에 있어서,

   상기 콜리메이션 렌즈는 적어도 한 면 이상이 프레넬 렌즈 형상인 것을 특징으로 하는 프로젝터 조명계
4. 제 1항에 있어서,

   상기 프로젝터용 렌즈는 비구면인 것을 특징으로 하는 프로젝터 조명계
5. 제 1항에 있어서,

   상기 프로젝터용 렌즈는 적어도 한 면 이상이 프레넬 렌즈 형태인 것을 특징으로 하는 프로젝터 조명계
6. 제 1항에 있어서,

   상기 프로젝터용 렌즈는, 흩어진 광을 다시 집광시켜주는 집광 렌즈부와, 상기 집광 렌즈부로부터 나온 광을 다시 평행광으로 만들어 주는 콜리메이션 렌즈부로 구성하는 것을 특징으로 하는 프로젝터 조명계
7. 제 6항에 있어서,

   상기 프로젝터용 렌즈를 기준으로 광원이 전송되는 흐름 전후 방향에서 광학계를 구성하는 광학 엘리먼트 좌우 단면 폭이 상기 흐름 진행 방향으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 프로젝터 조명계
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광원은 White LED 또는 Red, Green, Blue LED인 것을 특징으로 하는 프로젝터 조명계
9. 제 8항에 있어서,

   상기 광원이 Red, Green, Blue LED인 경우 상기 콜리메이션 렌즈 다음에는 광 파장에 따라서 투과 또는 반사되도록 설계된 X-cube 또는 Dichroic mirror를 위치시킨 것을 특징으로 하는 프로젝터 조명계
10. 제 9항에 있어서,

    상기 광원은 하나 또는 두 개 이상인 것을 특징으로 하는 프로젝터 조명계

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